DE10061042C2

DE10061042C2 - Gebaute Kurbelwelle und ein Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE10061042C2
Application number: DE2000161042
Authority: DE
Inventors: Adolf Frank; Alois Schmid
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-12-08
Filing date: 2000-12-08
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2020-12-09
Also published as: DE10061042A1

Description

Die Erfindung betrifft eine gebaute Kurbelwelle gemäß dem Ober begriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zur Herstel lung derselben gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 17.

Strengere Abgasvorschriften verlangen eine Abgasnachbehandlung und/oder verbrennungstechnische Maßnahmen im Motor. Verbesse rungen im Verbrennungsablauf sind durch die Anhebung des Ver dichtungsdruckes möglich. Eine höhere Belastung der Triebwerks komponenten geht damit einher. Geometrische Begrenzungen im Kurbelraum erlauben jedoch nur in begrenztem Umfang Verstärkun gen an der Pleuelstange sowie Vergrößerungen der Kurbelwellen ausgleichsmassen. Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Bauteilfes tigkeit bei gleichzeitig erheblicher Reduzierung des Bauteil gewichtes ist die Verwendung neuer Werkstoffe. Ein besonders geeigneter Pleuelstangenwerkstoff erscheint aus heutiger Sicht kohlefaserverstärktes Leichtmetall (Aluminium bzw. Magnesium). Das Gewichteinsparungspotenzial bei einer Pleuelstange kann da bei in einer Reduzierung auf 1/3 des heutigen Bauteilgewichtes liegen. Ein entscheidender Nachteil von faserverstärkten Mate rialien für die Herstellung der Pleuelstange ist, dass der Pleueldeckel sich von der Pleuelstange nicht ohne weiteres durch das bekannte, kostengünstige Bruchtrennen separieren läßt. Daher erfordern faserverstärkte Leichtmetalle eine Trenn flächenbearbeitung zwischen Pleueldeckel und Pleuelstange. Da durch steigen die Bauteilkosten erheblich. Dazu kommt, dass durch die Trennfläche der Kraftfluß im Bauteil empfindlich ge stört wird und erhebliche Festigkeitseinbußen auftreten. Selbst eine spezielle Orientierung der Verstärkungsfasern entlang der Trennfläche kann die Festigkeitseinbußen nur teilweise kompensieren. Ein weiterer Nachteil ist, dass in die Leichtbaupleuel stange Gewindebüchsen eingeformt sein müssen, die zusammen mit den Stahlschrauben zum Fügen des Pleueldeckels an die Pleuel stange die Gewichtsvorteile teilweise zunichte machen. Aus den genannten Gründen kann eine Pleuelstange aus kohlefaserver stärktem Leichtmetall nur dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn sie ungeteilt ausgeführt wird.

Eine ungeteilte Pleuelstange erfordert, dass sie im fertig be arbeiteten Zustand auf den fertig bearbeiteten Hubzapfen der Kurbelwelle aufgeschoben wird. Dies wiederum ist nur dann mög lich, wenn die Kurbelwelle mehrteilig ist. Erst nach der Monta ge der Pleuelstange auf den Hubzapfen kann die Verbindung zwei er benachbarter Kurbelwangen hergestellt werden. Die Anforde rung, Reparaturen an Hublagern weiterhin prinzipiell zu ermög lichen, verlangt ein nicht unlösbares Fügeverfahren.

Die Kurbelwelle ist ein enorm hoch beanspruchtes Bauteil. Kon ventionelle Welle-Nabe-Verbindungen zum Fügen des Hubzapfens an die Kurbelwange(n) sind nicht zielführend. Bereits aus dem 19. Jh. sind Lösungen bekannt, Kurbelwellen für Dampflokomotiven durch Segmente aufzubauen. Eine bekannte Lösung ist, den jewei ligen Hubzapfen mittels Schrauben radial an die jeweilige Kur belwange zu befestigen (die Hubzapfen weisen Durchgangslöcher für die Schrauben auf). Eine andere bekannte Lösung verbindet den Hubzapfen und die Kurbelwange mittels achsparallel verlau fender Schrauben (die Kurbelwangen weisen Durchgangslöcher auf). Die axialen Anlageflächen des Hubzapfens und der jeweils kontaktierten Kurbelwangeninnenseite können bei diesem Verfah ren mit einer Stirnverzahnung (z. B. Hirth-Verzahnung) zur Stei figkeitserhöhung versehen sein. Eine andere bekannte Lösungs möglichkeit ist, die Verbindung mit dem zylindrischen Bogenkeil (bzw. Kreiskeil) auszuführen. Bei zylindrischen Bogenkeilprofi len wird die Werkstofffestigkeit in radialer Richtung viel frü her überschritten, bevor ein betriebssicherer axialer Verschie bewiderstand aufgebaut ist. Die bekannten mechanischen Fügever fahren sind entweder aus fertigungstechnischer Sicht sehr aufwendig oder verleihen der Kurbelwelle nicht die erforderliche Steifigkeit. Thermische Fügeverfahren, z. B. Reibschweißen, sind nicht zielführend, da die nicht unerhebliche Wärmezufuhr zu drastischen Qualitätseinbußen an den fertig bearbeiteten Hubla gern führen kann.

Eine aus dem Stand der Technik bekannte Kurbelwelle bzw. ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren ist in der DE 42 09 153 C2 gezeigt, wobei bei der dort beschriebenen Welle-Nabe- Verbindung die hohlwellenartigen Pleuellager- und Hauptlager zapfen an der Außenfläche eine Mehrzahl keilförmiger Erhebungen aufweisen. Die diesen Zapfen zugewandten und auf diese zu ste ckenden als Naben dienenden Zapfen besitzen ein entsprechendes Innenkeilprofil. In der Stecklage werden die Zapfen gegeneinan der verdreht, so daß eine Klemmung hohen Kraftschlusses ein tritt und der Zusammenbau der Kurbelwelle somit nach der schrittweisen Fixierung der Wellensegmente aneinander abge schlossen ist. Die Keilflächen können dabei zur Achse von Welle und Nabe geneigt sein. Die die Keilfläche und damit die Fü gefläche bildende Grundkurve wird aus einer Mehrzahl logarith mischer Spiralenabschnitte gebildet, wobei es sich hier um Ab schnitte auf verschiedenen, zu einander drehversetzten, loga rithmischen Spiralen handelt. Die erreichte Verbindung ist in folge der Reibung selbsthemmend. Die mehrzahligen Bogenkeiler hebungen können auch in Längsschnittansicht kegelig ausgeführt sein. Hierbei kann sich die Welle zu dem in der Nabe befindli chen Ende hin zur Aufnahme von hohen Zugkräften verdicken, wo bei bei entsprechend enger Passungswahl nur ein thermisches Fü gen von Welle und Nabe möglich sein soll. Aufgrund der Mehrzah ligkeit verteilt sich beim Verspannen der Welle in der Nabe der Fügedruck auf eine relativ kleine Kontaktfläche, da sich die nicht-kontaktierenden Oberflächenzonen der Fügepartner mit der Anzahl der Keilflächen multiplizieren. Infolge dessen ist der radiale Fügedruck insoweit beschränkt, als daß die Werkstoff festigkeit aufgrund der lokalen hohen Beanspruchung relativ schnell überschritten werden kann, was einen Bruch der Nabe oder des Wellenteils zur Folge hat. Gegebenenfalls kann die Spannung im Gefüge des Werkstoffes beim Verspannen zwar so hoch sein, daß dabei kein Brechen oder ein Riß der Verbindung auf tritt, jedoch kann dies nachträglich im Motorbetrieb durch die äußere mechanische Beanspruchung erfolgen. Bei Einhaltung eines unkritischen Fügedruckes tritt jedoch der Effekt auf, daß auf grund der Kürze eines Bogenkeils des mehrzahligen Bogenkeilpro files die radiale Profilausdehnung relativ gering ist. Dadurch können elastische Verformungen beim Fügen auftreten, die den in Fügedrehrichtung herrschenden Reibschluß überwinden, so daß ein Durchrutschen des Wellenteils in der Nabe zustande kommen kann.

Aus der DE 42 37 521 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer gebauten Kurbelwelle für Hubkolbenmaschinen bekannte, wobei die Kurbelwellensegmente thermisch gefügt werden. Der zylindrische Hubzapfen weist beim Fügen eine erheblich geringere Temperatur auf als die Kurbelwange. Der nach dem Fügen durch Egalisierung der Temperaturdifferenz entstandene Preßverband wird zusätzlich mittels Laserstrahl verschweißt, wodurch eine stoffschlüssige, nicht mehr lösbare Verbindung entsteht. Weitere Verfahren über eine zusammengesetzte und mittels eines thermischen Verfahrens, insbesondere Schweißen oder Löten, zu einem Bauteil unlösbar verbundene Kurbelwelle werden beispielsweise in der DE 195 36 349 C1, der DE 30 01 267 C2, der DE 37 28 142 C2 und der DE 34 46 262 A1 aufgezeigt.

Weitere nicht-mechanische Verfahren zum Fügen von Kurbelwellen segmenten zu einer Komplettwelle sind aus der DE 37 38 808 A1 und der DE 38 37 294 C2 zu entnehmen, wobei dort das Fügen von Hubzapfen und Kurbelwangen mittels der Innenhochdruckumform technik durch fluidisches Aufweiten des Innenteiles erfolgt. Der gefügte Hubzapfen muß aus Qualitätsgründen zerspanend nach bearbeitet werden. Dadurch ist das Aufschieben einer ungeteil ten Pleuelstange vor dem Fügen nicht möglich. Die Verbindung ist zerstörungsfrei nicht lösbar.

Des weiteren ist aus der DE 37 38 717 A1 eine gebaute Kurbel welle bekannt, zu deren Herstellung Schrauben als Verbindungselemente eingesetzt werden. Die Verbindung zwischen Kurbelwange und Hubzapfen ist somit mittelbar ausgeführt.

Schließlich zeigt die DE 37 29 992 A1 eine in Querrichtung zu sammengesetzte Kurbelwelle.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aus dem Stand der Technik bekannte Kurbelwelle dahingehend weiterzubilden, daß sie ohne thermische Behandlung prozeß- und betriebssicher zusammengebaut und trotzdem bei Bedarf schadensfrei in ihre Einzelteile zerlegt werden kann. Des weiteren soll ein Verfah ren zu deren Herstellung aufgezeigt werden.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patent anspruches 1 hinsichtlich der Kurbelwelle und durch die Merkma le des Patentanspruches 17 hinsichtlich des Herstellungsverfah rens gelöst.

Kennzeichnend für die erfindungsgemäße Lösung ist die gleich zeitige, kombinierte Anwendung zweier Wirkprinzipien unter Aus nützung eines dritten Effektes: Das Verfahren nutzt das Prinzip der bekannten Schwalbenschwanzverbindung im direkten und unmit telbaren Zusammenwirken mit dem Wirkprinzip des bekannten Bo genkeils. Diese beiden Verbindungsverfahren führen zusammen mit den Einbauverhältnissen der Kurbelwelle im Motor, die als Ver drehsicherung fungieren, zu einer sicheren, in alle Richtungen formschlüssigen Verspannung der Kurbelwellensegmente. Aufgrund dessen, daß in kongruenter Lage von Zapfen und Aufnahmeöffnung der Zapfen bezüglich der Aufnahmeöffnung Untermaß besitzt, ist es - entgegen dem Stand der Technik - sehr wohl möglich, einen Preßverband mit einem sich dem Wellenende hin verdickenden Ke gel ohne thermisches Fügen, sondern durch eine drehförmige Re lativbewegung der Fügepartner, herzustellen. Die Erfindung geht davon aus, dass die jeweiligen Fügepartner auf gleiches Nennmaß d mit einer Passung im Grundabmaß des Internationalen Toleranz feldes H bzw. h gefertigt sind, so daß bei der erwähnten kon gruenten Lage der Zapfen in die Aufnahmeöffnung durch dessen schmales Ende in einfacher Weise einschiebbar ist. Aufgrund des abstützenden Zusammenwirkens eines mit dem Zapfen wirkverbunde nen axialen Anschlages auf dessen der Öffnung abgewandten Seite mit dem Öffnungsrand der Aufnahmeöffnung wird mittels einer Re lativdrehbewegung von Zapfen und Öffnung zueinander ein axialer Formschluß erreicht, bei dem der Anschlag am Öffnungsrand der Aufnahmeöffnung anliegt. Mit der unverrückbaren Fixierung der Kurbelwelle in radialer Richtung durch die aus dem Achsenver satz von Hubzapfen und Hauptlager sich ergebende Hebelwirkung in Einbaulage im Motor kann die Kurbelwelle ohne die Gefahr un gewollten und unerwünschten Radialwinkelverstellens der einzel nen Kurbelwangen oder gar der Loslösung einzelner Kurbelwangen aus dem Gesamtverbund prozeß- und betriebssicher allein durch mechanisches Fügen aus Einzelsegmenten zur Komplettwelle zusam mengesetzt werden. Dadurch erhält die gebaute Kurbelwelle eine besonders hohe wirtschaftliche Bedeutung, da nun ungeteilte Pleuelstangen aus Leichtbauwerkstoffen unbedenklich eingesetzt werden können. Dies hindert natürlich nicht einen Gebrauch ei ner geteilten Pleuelstange, wenn dies anderweitig zweckmäßig erscheint. Des weiteren zeichnet sich hierzu die erfindungsge mäß gebaute Kurbelwelle durch die einfache Austauschbarkeit einzelner Wellensegmente auch nach längerer Betriebsdauer aus, da das Fügeverfahren schadensfrei reversibel ist. Durch die Entnahme der Kurbelwelle aus dem Motor ist es möglich, ohne großen Aufwand den Formschluß zu lösen und durch Zurückdrehen bspw. des Zapfens die Kurbelwelle in ihre Bestandteile zu ver einzeln. Hierbei kann bezogen auf eine einstückige Welle ein hohes Maß an Metallschrott in ressourcensparender Weise vermie den und in ökonomischer Hinsicht günstig die Zahl an neu herzu stellenden Kurbelwellen reduziert werden. Des weiteren ist der Zusammenbau der in Längsrichtung segmentierten Kurbelwelle ohne Verbindungselemente möglich, so daß zusätzliche Bauteile und damit zusammenhängende Fügeschritte verfahrensökonomischerweise entfallen.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand mehrerer in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele nachfolgend näher erläutert; dabei zeigt:

Fig. 1 in einem Längsschnitt die kegeligen und ebenen Fügeflä chen der Welle-Nabe-Verbindung einer erfindungsgemäßen Kurbel welle nach der Drehpositionierung von Zapfen und Aufnahmeöff nung,

Fig. 2 in einer achsnormalen Seitenansicht die Verbindung von Fig. 1,

Fig. 3, in einem Querschnitt die Aufnahmeöffnung der Welle- Nabe-Verbindung aus Fig. 1 in einer fräserpraktikablen Ausbil dung,

Fig. 4 in einem Querschnitt der Zapfen der Welle-Nabe- Verbindung aus Fig. 1 in einer fräserpraktikablen Ausbildung,

Fig. 5 in einem Querschnitt die konischen Fügeflächen der Wel le-Nabe-Verbindung aus Fig. 1 zu Beginn des Steckvorganges des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,

Fig. 6 in einem Längsschnitt die kegeligen und ebenen Fügeflä chen der Welle-Nabe-Verbindung der erfindungsgemäßen Kurbelwel le von Fig. 1 nach dem Steckvorgang,

Fig. 7 in einem Längsschnitt die kegeligen und ebenen Fügeflä chen der Welle-Nabe-Verbindung der erfindungsgemäßen Kurbelwel le von Fig. 1 nach einer Relativverdrehung von Aufnahmeöffnung und Zapfen aus der Stecklage heraus bei Erreichen der Anlagepo sition der miteinander zusammenwirkenden Fügeflächen,

Fig. 8 in einem Querschnitt die konischen Fügeflächen nach der Relativverdrehung aus Fig. 7,

Fig. 9 in einem Querschnitt die konischen Fügeflächen der Wel le-Nabe-Verbindung der erfindungsgemäßen Kurbelwelle von Fig. 1 nach weiterer Relativverdrehung gleicher Drehorientierung zur Erreichung der axialen Verspannung des erfindungsgemäßen Her stellungsverfahrens,

Fig. 10 abschnittsweise die Fügepartner Zapfen und Aufnahmeöff nung in einer perspektivischen Ansicht,

Fig. 11 in einem Längsschnitt quasikegelige und ebene Fügeflä chen einer Welle-Nabe-Verbindung gemäß einer weiteren erfin dungsgemäßen Kurbelwelle in drehpositionierter Lage von Zapfen und Aufnahmeöffnung,

Fig. 12 in einem Längsschnitt die quasikegeligen und ebenen Fü geflächen der Welle-Nabe-Verbindung der erfindungsgemäßen Kur belwelle von Fig. 11 nach dem Steckvorgang,

Fig. 13 in einem Längsschnitt die quasikegeligen und ebenen Fü geflächen der Welle-Nabe-Verbindung der erfindungsgemäßen Kur belwelle von Fig. 11 nach einer Relativverdrehung von Aufnahme öffnung und Zapfen aus der Stecklage heraus bei Erreichen der Anlageposition der miteinander zusammenwirkenden Fügeflächen,

Fig. 14 in einem Längsschnitt zwei Segmente der erfindungsgemä ßen Kurbelwelle nach Fig. 1 in der drehpositionierten Stellung von Zapfen und Aufnahmeöffnung vor dem Steckvorgang mit an der die Aufnahmeöffnung tragenden Kurbelwange ausgebildetem Hubzap fen,

Fig. 15 in einem Längsschnitt die beiden Kurbelsegmente aus Fig. 14 in Stecklage,

Fig. 16 in einer Frontalansicht die Kurbelsegmente aus Fig. 14 mit Pleuelstange in Stecklage der Fügepartner,

Fig. 17 in einem Längsschnitt zwei Segmente der erfindungsgemä ßen Kurbelwelle nach Fig. 1 in Stecklage von Zapfen und Aufnahmeöffnung mit an der den Zapfen tragenden Kurbelwange ausgebil detem Hubzapfen,

Fig. 18 in einem Längsschnitt die Kurbelwellensegmente aus Fig. 14 nach Relativverdrehung in die axial verspannte Lage,

Fig. 19 in einer Frontalansicht die Stellung der Kurbelwellen segmente aus Fig. 18,

Fig. 20 in einem Längsschnitt zwei Kurbelwellensegmente einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle nach Fig. 1 mit einem Hubzapfen als separatem Bauteil, welches mit zwei Zapfen der Welle-Nabe- Verbindung die Kurbelwellensegmente verbindet, in Stecklage der mit gegenläufiger Spiralenwindungsorientierung versehenen Zap fen in den Aufnahmeöffnungen der Kurbelwellensegmente,

Fig. 21 in einem Längsschnitt die Kurbelwellensegmente mit dem Hubzapfen aus Fig. 20 in einer axial verspannten Lage von Zap fen und Aufnahmeöffnung,

Fig. 22 in einem Längsschnitt zwei Kurbelwellensegmente einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle nach Fig. 1 mit einem Hubzapfen als separatem Bauteil, welches mit zwei ein axiales unrundes Durchgangsloch tragenden Zapfen der Welle-Nabe-Verbindung die Kurbelwellensegmente verbindet, in Stecklage der mit gleicher Spiralenwindungsorientierung versehenen Zapfen in den Aufnahme öffnungen der Kurbelwellensegmente,

Fig. 23 in einer Frontalansicht die Kurbelwellensegmente aus Fig. 22,

Fig. 24 in einem Längsschnitt die Kurbelwellensegmente aus Fig. 22 in axial verspannter Lage,

Fig. 25 in einer Frontalansicht die Kurbelwellensegmente aus Fig. 24.

Eine geteilte (gebaute) Kurbelwelle besteht aus einer Mehrzahl an Kurbelwangen 1, 5 und den sie verbindenden Hauptlagern 22 bzw. Hubzapfen 14. Von denjenigen Kurbelwangen 1 bzw. 5 erheben sich zu beiden Enden der Kurbelwelle Hauptlager 22, wobei die Hauptlager 22 der ganz außen liegenden Kurbelwangen 1 und 5 nach außen hin in Abtriebszapfen übergehen. Die Mittellinie der Hauptlager/Abtriebszapfen, nachfolgend mit Kurbelwellendrehach se 17 bezeichnet, und die Hubzapfen 14 verlaufen parallel; ent sprechend der Zündfolge haben sie einen relativen Drehversatz zueinander. An den Hubzapfen 14 werden drehbar Pleuelstangen 19 befestigt; die Kurbelwelle selbst wird drehbar an den Hauptla gern 22 im Kurbelgehäuse des Motors fixiert. Ein Kurbelwellen segment besteht demnach aus einem Hauptlager 22 (ggf. mit Ab triebszapfen) und einer stoffschlüssig verbundenen Kurbelwange 1 oder 5. Es gilt, die gleiche Anzahl an Kurbelwellensegmenten in axiale Längsrichtung kettenförmig an ein Basissegment zu fü gen entsprechend der Zylinderanzahl des Motors, in den die Kur belwelle eingebaut werden soll.

Zum Zusammensetzen zweier Kurbelwellensegmente (Kurbelwangen) sind erfindungsgemäß vier Fügeschritte erforderlich. Fig. 1 zeigt eine Axialschnittdarstellung entlang der zentralen Achse 7 der Fügeverbindung. Im allgemeinen fällt diese Achse 7 mit der Mittenachse des Hubzapfens 14 zusammen. Im ersten vorberei tenden Fügeschritt werden die zu fügenden Bauteile - linke Kur belwange 1 und rechte Kurbelwange 5 (bzw. in einer anderen Aus führungsvariante: linke Kurbelwange 1 und Hubzapfen 14) in eine bestimmte Drehlage zueinander gebracht. Die Pleuelstange 19 be findet sich bereits auf dem Hubzapfen 14. Der rechte Fügepart ner 5 (bzw. 14) ist an seinem linken Ende als konischer Zapfen 3 ausgeführt bzw. mit diesem stoffschlüssig verbunden. Der Zap fen 3 kann jedoch auch ein Einzelteil sein, das an dem Füge partner befestigt ist. Dies kann für den Austausch des Zapfens bei Reparaturfälligkeit unter Kostengesichtspunkten erforder lich sein. Das Kurbelwellensegment 1 hat als Gegenstück zum ko nischen Zapfen 3 eine formnegative konische Aufnahmeöffnung 2. Die konische Form des Zapfens 3 erweitert sich zu der jeweilig zugehörigen Öffnung 2 hin. Beide Fügeteilflächen, die der Öff nung 2 und die des Zapfens 3, sind Strahlflächen 6, die durch Erzeugende gebildet werden. Nach dem ersten Fügeschritt haben die Leitlinie 15 der konischen Öffnung 2 und die Leitlinie 15 des konischen Zapfens 3 die gleiche Drehlage bezüglich eines raumfesten Koordinatensystems. Der Zapfen 3 ist so ausgebildet, dass er sich entgegen der Fügerichtung des nachfolgenden zwei ten Fügeschrittes hin öffnet und an seinem anderen, dünneren Ende in eine ebene Anlagefläche 4 übergeht. Die ebene Fläche 4 steht senkrecht zur zentralen Achse 7 der Fügeverbindung und auch senkrecht zur Achse des Hubzapfens 14.

Die Leitlinie 15 ist jeweils ein Windungsabschnitt einer loga rithmischen Spirale. Die Leitlinie 15 der konischen Fügefläche am Innenumfang der Öffnung 2 liegt in der den Öffnungsrand 10 beinhaltenden inneren Stirnfläche der Kurbelwange 1. Die Leit linie 15 der konischen Fügefläche am Außenumfang des Zapfens 3 liegt in der ebenen Anlagefläche 4. Die Ebene 9, äußere Stirn fläche der linken Kurbelwange 1, muß nicht zwangsläufig paral lel zur anderen Stirnfläche der Kurbelwange 1 sein; die Kurbel wange 1 kann an der Hauptlagerseite 9 schräg verlaufen. In Fig. 1 erscheinen die Leitlinien 15 als projizierende Geraden. In Fig. 2 sind die Leitlinien 15 als Spiralenabschnitte ersicht lich. In jedem zur Seitenansicht in Fig. 2 parallelen Achsnor malschnitt ist die Umfangslinie des Kegels 6 eine logarithmi sche Spirale gleicher Steigung.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen, dass die zentrale Achse 7 der Füge verbindung durch das jeweilige Zentrum der Leitlinien 15 und durch die Kegelspitzen 8 läuft. Die Achse 7 ist parallel zur Kurbelwellendrehachse 17 und muß nicht zwangsläufig mit der Mittenachse des Hubzapfens 14 zusammenfallen. Aus Gründen der besseren Werkstoffausnützung können hierbei die beiden Achsen zueinander parallel versetzt sein. In diesen Fällen handelt es sich um exzentrische Anordnungsvarianten der Fügeverbindung.

In der definierten relativen Drehlage wird im zweiten Fü geschritt der kegelige Zapfen 3 entlang der Achse 7 in das zu verbindende separate Bauteil 1 eingeführt bzw. Bauteil 1 auf den Zapfen 3 geschoben (Fig. 6). Das relative Hineinschieben des konischen Zapfens 3 in die Aufnahmeöffnung 2 ist ohne ther mische Behandlung nur dann möglich, wenn die größten Abmessun gen des Zapfens 3 (in Ebene 11) gleich oder kleiner sind, als die kleinsten Abmessungen der konischen Aufnahmeöffnung 2 an Bauteil 1 (in Ebene 28). Es ist zweckmäßig, entsprechende "Durchmesser" d (vgl. Fig. 1 und Fig. 2) innerhalb eines Pass masses zu fertigen. Das Maß d in Ebene 28 der Öffnung 2 soll im Toleranzfeld H gefertigt sein; das in der Ebene 11 des öff nungszugewandten Endes des Zapfens 3 liegende Maß d soll vor zugsweise im Toleranzfeld h liegen. Die beschriebene translato rische (zweite) Fügebewegung erfolgt bis zum Anschlag, bis das Bauteil 1 mit seinem ebenen Öffnungsrand 10 an der Planfläche 4 des axialen Anschlages des anderen Fügepartners 5 (bzw. 14) ab stützend anliegt. Der Anschlag ist im Anschluß an das verjüngte Ende 29 des Zapfens 3 absatzartig mit zum Öffnungsrand 10 der Aufnahmeöffnung 2 parallel verlaufender Anschlagfläche, also der Planfläche 4, ausgebildet ist. Der Anschlag und seine An schlagfläche ist, wie gezeigt, umlaufend durch die Stirnseite der Kurbelwange 5 gebildet. Der Anschlag kann alternativ auch durch einen separaten Ringbund oder auch nur lokal durch ver schiedene in Umfangsrichtung versetzte Ringsegmente ausgebildet sein. Des weiteren ist es denkbar, daß der axiale Anschlag vom Ansatz einer sich an das verjüngte Ende 29 des Zapfens 3 stoff schlüssig anschließenden konischen Erweiterung gebildet ist. Obwohl diese Möglichkeit fertigungstechnische Vorteile durch die Verwendung des einfach auszuführenden Feindrehens bringen mag, ist die flächige Ausführung des axialen Anschlages in der Hinsicht zu bevorzugen, daß bei der Relativdrehbewegung die a xiale Verspannung erheblich effektiver erfolgt, wenn der Öff nungsrand 10 eine ausreichend große Reibfläche als Widerpart besitzt.

Zwischen den Fügeflächen der Aufnahmeöffnung 2 und des Zapfens 3 der Kurbelwangen 1 und 5 hat sich nun ein radialer Spalt 16 eingestellt (Fig. 6). Idealerweise würde der Übergang am Ende des profilbildenden Bogenabschnittes (Querschnittsprofil von 2 bzw. 3) durch einen Geradenabschnitt 20 einer Profilbegren zungsgeraden gebildet (Fig. 2). In dieser Ansicht (Öffnung 2 in Fig. 2, Fig. 8 bzw. Fig. 9) sollte diese Gerade möglichst radi al zum - mit M bezeichneten - Spiralenzentrum hin verlaufen. Die Gerade kann jedoch auch schräg verlaufen (wie für den Zap fen 3 in Fig. 2, Fig. 8 bzw. Fig. 9 beispielhaft dargestellt). Aus fertigungstechnischen Gründen ist eine exakt radial ausge richtete Ausbildung der Profilkehle sowohl beim Zapfen 3 als auch bei der Öffnung 2 nur mit hohem Aufwand realisierbar. Des halb wird in der Regel in den Profilquerschnitten eine andere Übergangszone zu akzeptieren sein, die sich beispielsweise mit dem Freilauf eines rotierenden Schneidwerkzeuges bei der Pro filformgebung einstellt. Jede Abweichung von der idealen, radi al zu M verlaufenden Spiralenübergangszone bedingt einen Pro filbasisverlustwinkel ϕ_B, der zur Übertragung von Kontaktkräf ten zwischen den beiden Fügepartnern 1 und 3 nicht genutzt wer den kann. Deshalb sollte der Profilbasisverlustwinkel ϕ_B mög lichst klein gehalten werden. Fig. 3 zeigt das Profil 15 der Öffnung 2 in der Ebene 28 des Bauteils 1, das durch das bekann te mehrachsige Fräsen herstellbar ist. Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 4 das Profil des Zapfens 3 in der Ebene 11, das ebenfalls durch das bekannte Fräsen herstellbar ist. Bei gleichem Fräs werkzeug ist der Winkel ϕ_B aus geometrischen Gründen an der Öffnung 2 stets größer, als am Zapfen 3. Fig. 5 zeigt die Pro filquerschnitte im zweiten Fügeschritt zum Zeitpunkt der Über deckung der Ebenen 28 und 11, wenn das Zapfenprofil aus Fig. 4 relativ in die Öffnung 2 (Fig. 3) eingeführt wird.

Der axiale Formschluss zwischen den Fügepartnern wird dadurch erreicht, dass der Zapfen 3 im nachfolgenden dritten Fü geschritt relativ zum Bauteil 1 verdreht wird (Fig. 7 und Fig. 8). Diese relative Drehbewegung, mit Fügespielausgleichsbewe gung bezeichnet, erfolgt entgegen der Spiralenwindungorientierungsrichtung. Durch die relative Drehbewegung des Zapfens 3 verringert sich der radiale Spalt 16, der sich nach dem zweiten Fügeschritt eingestellt hat, auf null. Der Spielausgleich er folgt absolut zentrisch. Unabhängig von einem eventuellen radi alen Versatz der Fügepartner nach Beendigung des zweiten Fü geschrittes gelangen die Spiralenbereiche der Querschnittspro file von 2 und 3 zur Überdeckung. Nach dem dritten Fügeschritt sind die Spiralenabschnitte von 2 und 3 kongruent (Fig. 8). Dies trifft auf alle Querschnittsprofile entlang der überdeck ten, mit L_Z bezeichneten Fügetiefe zu. Der Zapfen 3 gelangt über den Großteil seiner Oberfläche mit dem Bauteil 1 in unmit telbaren Oberflächenkontakt. Wegen der Fügespielausgleichsbewe gung stellt sich jedoch am Profilumfang eine zusätzliche, über den fertigungsbedingten Profilbasisverlustwinkel ϕ_B hinausge hende, nicht kontaktierende Zone ein. Sie ist mit dem Füge spielausgleichswinkel ϕ_F bemaßt. Zum besseren Verständnis wur den für die zeichnerischen Darstellungen Verhältnisse gewählt, die einen sehr großen Fügespielausgleichswinkel ϕ_F ergeben. Reale Werkstücke werden so auszulegen sein, dass sich ein Füge spielausgleichswinkel im Bereich von beispielsweise 30° bis 90° einstellt.

Nachdem der Fügespalt 16 eliminiert ist, wird der Zapfen 3 wei ter relativ gegen das Bauteil 1 verdreht (Fig. 9), wobei sich infolge elastischer Verformungen ein Fugendruck aufbaut. Der Zapfen 3 wird zusammengedrückt, während die Öffnung 2 eine Auf weitung erfährt. Die nicht kontaktierende Werkstückoberfläche verkleinert sich zusätzlich um den sog. Lastwinkel ϕ_L, der im allgemeinen im Bereich von wenigen Winkelgraden, deutlich unter 10°, liegt. Aufgrund der gewählten Parameter bleibt jedoch ein deutlich größerer Oberflächenbereich des Zapfens 3, als seinem halben Umfang entspricht, in fest klemmendem, sich radial ab stützendem Kontakt mit dem Bauteil 1. (Summe der "Verlustwin kel" ϕ_B + ϕ_F + ϕ_L < 180°). Aufgrund der konischen Ausführung der Öff nung 2 und des Zapfens 3 ist mit dieser Drehbewegung in diesem dritten Fügeschritt erfindungsgemäß eine axiale Verspannung verbunden. Mit der Drehbewegung um den Lastwinkel ϕ_L baut sich nicht nur ein radialer Fugendruck, sondern auch ein Fugendruck zwischen den Ebenen 4 und 28 auf. Diese axiale Vorspannung ist formschlüssig und garantiert in entscheidender Weise die Bau teilstabilität.

Die Steigung der logarithmischen Profilspirale im Zusammenwir ken mit dem mit β₀ bezeichneten Basisöffnungswinkel des Kegels 6 (Zapfen 3 bzw. Öffnung 2) wird so gewählt, dass sich eine Selbsthemmung einstellt; d. h. dass sich nach Wegnahme des für den dritten Fügeschritt erforderlichen Montagedrehmomentes sich der Zapfen 3 gegebenenfalls nicht von selbst wieder aus der Öffnung 2 herausdreht. In diesem Montagezwischenzustand sind die beiden Fügepartner in die eine Drehrichtung formschlüssig, in die andere Drehrichtung reibschlüssig verbunden. Der Reib schluss dient lediglich dazu, die Fügepartner 2 und 3 in ihrer Verspannungslage und ihrer Radialrelativlage zur Handhabung für den abschließenden vierten und gleichzeitig letzten Fügeschritt vorzufixieren. In nachfolgend beschriebenen Ausführungsvarian ten dient der Reibschluss primär nicht dazu, Betriebskräfte zu übertragen. Die Erfindung setzt einen Reibschluss nicht notwen digerweise voraus.

Als Alternative ist zur Vorfixierung denkbar, vor dem Fügen die Hauptlager 22 sowie die Abtriebszapfen mit zentrischen Bohrun gen zu versehen. Zur Vorfixierung kann nach dem dritten Fü geschritt ein in die Bohrungen hineingeschobener oder hinein gepreßter Dorn die verspannten Kurbelwellensegmente in den Boh rungen entlang der Achse 17 aufnehmen. Der Dorn läßt sich einstückig nach dem Zusammenbau aller Kurbelsegmente durch de ren fluchtende Bohrungen hindurchstecken. Ebenfalls ist es denkbar, den Dorn in vorteilhafter Weise als Spreizdorn auszu führen, der jeweils zwei benachbarte Kurbelwellensegmente mit einander radial festsetzt, wobei der Dorn eine Klemmkraft auf die Welle-Nabe-Verbindung ausübt, die für eine besonders siche re Haltbarkeit der Vorfixierung geeignet ist. Der Dorn muß je doch nach dem abschließenden Fügeschritt wieder entfernt wer den.

Lediglich in einer dritten Ausführungsvariante muß der Reib schluss so sicher sein, daß Betriebskräfte entgegen dem dritten Fügeschritt aufgenommen werden können. Typische Steigungen der Leitlinien 15 liegen im Bereich von 1 : 50 bis 1 : 5. Typische Ke gelbasisöffnungswinkel β₀ (Fig. 10) liegen im Bereich von 1° bis 10°. Sinngemäß werden die Fügeschritte eins bis drei ent sprechend der Anzahl an Fügestellen (Zylinderanzahl des Motors) wiederholt.

Der Montagevorgang wird erst nach dem folgenden vierten und letzten Montageschritt abgeschlossen, der für alle Fügestellen einer Kurbelwelle durch den Einbau der Kurbelwelle in den Motor erfolgt. Nach der sukzessiven Aneinanderfügung der für die ge samte Kurbelwelle benötigten Kurbelwangen 1, 5 werden die Kur belwelle an den mit den Kurbelwangen 1, 5 verbundenen Hauptla gern 22 im Motor gelagert und die vorfixierten Kurbelwangen 1, 5 dabei endfixiert. Die Fixierung der Kurbelwelle an den Hauptla gern 22 im Zylinderkurbelgehäuse erfolgt in bekannter Weise mittels geteilter Kurbelwellenlagerdeckel, die gegen das Zylin derkurbelgehäuse verschraubt werden. Sie ersetzt den entgegen der Drehrichtung des dritten Fügeschrittes gegebenenfalls vor handenen, radialen Reibschluss durch einen Formschluss. Die Einbaulage der Kurbelwelle wirkt wie eine Verdrehsicherung ge gen ungewolltes Lösen der Kurbelwellensegmente. Ein Lösen der jeweiligen Fügestelle ist nur durch eine, der Fügedrehung ent gegengerichtete, relative Verdrehung der Fügepartner 1 und 5 (bzw. 1 und 14) um die zentrale Achse der Fügeverbindung 7 (Hubzapfenachse) möglich. Im fertig eingebauten Zustand hat die gefügte Kurbelwelle jedoch nur den einen Freiheitsgrad, sich um die Mittenachse 17 der Abtriebszapfen samt Hauptlager 22 zu drehen. Aufgrund des Achsenversatzes zwischen Hubzapfenachse 7 und Kurbelwellendrehachse 17 ist die dem dritten Fügeschritt entgegengerichtete Lösebewegung nicht mehr möglich. Die Füge partner 1 und 5 (bzw. 1 und 14) sind in allen Richtungen form schlüssig fixiert. Durch die Lagerung in den Hauptlagern 22 er fährt die Kurbelwelle im fertigen Einbauzustand im Motor ihre Endfestigkeit. Ein Lösen der Verbindung, wie es bspw. im Falle einer Reparatur bzw. Austauschs des Pleuellagers 18 erforder lich sein kann, ist nur durch Umkehrung der Montagefüge schrittefolge möglich.

Alle bekannten Fügeverfahren zum Aufbau einer Kurbelwelle aus Einzelsegmenten geben der Kurbelwelle die erforderliche Endfes tigkeit vor dem Einbau in den Motor. Die Fixierung der Kurbel welle im Motor stellt bezüglich der Freiheitsgrade der Fü gestellen eine statische Überbestimmung dar. Dagegen tragen in vorliegender Erfindung die Hauptlagerfixierungen der Kurbelwel le im Kurbelgehäuse wesentlich zur Bauteilfestigkeit bei, da ein radialer Reibschluß keine Voraussetzung für den Zusammenbau der Kurbelwelle darstellt.

Die bevorzugte Ausführung der Fügeflächenform der Aufnahmeöff nung 2 und des Zapfens 3 beschränkt sich auf jeweils ein einzi ges logarithmisches Spiralensegment. Prinzipiell können zur Lö sung des Fügeproblems auch Leitlinien 15 gewählt werden, die jeweils aus mehreren Abschnitten verschiedener logarithmischer Spiralen bestehen wie beispielsweise das aus dem Stand der Technik bekannte mehrendige Bogenkeilprofil. Aufgrund der Mehr zahl an Keilen multiplizieren sich jedoch die nicht kontaktie renden Oberflächenzonen (ϕ_B + ϕ_F + ϕ_L) mit dem Faktor, der der Keilanzahl entspricht. Der Fugendruck verteilt sich auf eine wesentlich kleinere Kontaktfläche. Um die zulässige Beanspru chung nicht zu überschreiten, kann die Fügeverbindung nicht so stark wie bei der bevorzugten einzähligen Lösung beansprucht werden. Ein anderer Effekt ist, daß ein Bogenkeil des mehr endigen Bogenkeilprofils erheblich kürzer ist als bei einer einzähligen Lösung. Dadurch ist die radiale Profilausdehnung relativ gering. Es besteht daher die Gefahr, dass während der Ausführung des dritten Fügeschrittes der Zapfen 3 in der Öff nung 2 "durchrutscht". Es können elastische Verformungen hierzu auftreten, die den in Fügedrehrichtung herrschenden Formschluss überwinden und das Durchrutschen verursachen. Dadurch bezieht sich auch die vorliegende Erfindung nicht auf eine Mehrzahl an keilförmigen Erhebungen, sondern auf die Einzahl einer einzigen keilförmigen Erhebung am Zapfenumfang.

Bis hierher bezieht sich die vorliegende Beschreibung auf eine Öffnung 2 in Bauteil 1 und auf einen Zapfen 3, welche im Längs schnitt beispielsweise nach Fig. 1 gesehen den Längsschnitt der Form eines Kegelstumpfes eines geraden Kegels besitzen. Die entsprechende Kegelfläche 6 wird von Erzeugenden aufgespannt, die einerseits durch die mit S bezeichnete Kegelspitze 8 und andererseits durch die Leitlinie 15 hindurchgehen (Fig. 1, 6, 7 und 10). S_N bedeutet die Spitze des Nabenkonus, also des Kegels der Aufnahmeöffnung 2, während S_Z die Spitze des Zapfenkonus bezeichnet. Die Konen der Aufnahmeöffnung 2 und des Zapfens 3 sollten so gefertigt sein, daß beide die gleiche Länge k auf weisen. Eine vorteilhafte Variante hierzu bietet die quasikege lige Ausbildung des Zapfens 3 und/oder der Aufnahmeöffnung 2. Die quasikegelige Fügefläche 6 wird von Erzeugenden aufge spannt, die die zentrale Achse 7 unter einem konstanten Winkel β schneiden und durch die Leitlinie 15 hindurchgehen (Fig. 11, 12 und 13). Demnach besitzt eine quasikegelige Fläche keine Ke gelspitze 8. Die allgemeine erfinderische Idee umfaßt sowohl kegelige als auch quasikegelige Fügeflächen. Diese Unterschei dung ist für die fertigungstechnische Formgebung der Fügepart ner von besonderer Bedeutung. In ihrer Funktionalität sind bei de Gestaltungsarten zwar nahezu gleichwertig. Der große Vorteil der kegeligen Ausführung eines Kegelstumpfes eines geraden Ke gels liegt darin, daß trotz eventueller fertigungsbedingter Ab solutmaßabweichungen sich in jedem Fall eine flächenhafte Kon taktzone zwischen dem Bauteil 1 und dem Zapfen 3 (Fig. 1) beim dritten Fügeschritt einstellt. Dagegen kann u. U. bei großen Ke gelöffnungswinkeln β und größeren fertigungsbedingten Absolut maßabweichungen eine quasikegelige Fügefläche beim dritten Fü geschritt in der anfänglich erreichten radialkraftfreien Anlage nur punktuell kontaktieren. Der dritte Fügeschritt führt jedoch in seiner weitergehenden Ausführung aufgrund der dann erzeugten Radialkraft zu elastischen Verformungen der Öffnung 2 und des Zapfens 3, sodaß auch absolutmaßabweichungsbehaftete quasikegelige Fügezonen flächig in Kontakt zueinander gelangen. Die oben beschriebenen vier Fügeschritte gelten uneingeschränkt auch für quasikegelige Öffnungen 2 in Verbindung mit quasikegeligen Zap fen 3. Sinngemäß sind hier jedoch Fig. 1 durch Fig. 11, Fig. 6 durch Fig. 12 sowie Fig. 7 durch Fig. 13 zu ersetzen.

Die kegelige Öffnung 2 sowie der kegelige Zapfen 3 sind durch verschiedene bekannte Fertigungsverfahren herstellbar. Ein prä destiniertes Fertigungsverfahren ist das Fräsen mit dem zylind rischen Schaftfräser. Je nach Anordnung der Maschinenachsen sind drei bzw. vier simultane NC-Achsen erforderlich. Hinzu kommen mindestens zwei Hilfsachsen. Der maschinentechnische Aufwand läßt sich um mindestens eine interpolierende NC-Achse reduzieren, wenn die Öffnung 2 sowie der Zapfen 3 nicht exakt kegelig, sondern quasikegelig ausgeführt werden. Die Steuerung des Fräswerkzeuges kann auf eine ebene zweidimensionale Bewe gung reduziert werden. In den Betrachtungsebenen der Fig. 3 und Fig. 4 wird dann der Freilauf 12 bzw. 13 des Fräswerkzeuges zur exakten Ellipse. Der Freilauf 12 bzw. 13 erscheint in der Be trachtungsebene als exakter Kreis, wenn ein kegeliges Fräswerk zeug für die Bearbeitung gewählt wird. Der Öffnungswinkel α dieses Kegels muß dabei mit dem des Zapfens 3 übereinstimmen. Eine quasikegelige Ausführung der Fügeflächen ist aus ferti gungstechnischer Sicht gegenüber der kegeligen Ausführung von Vorteil.

Die unsymmetrische Form der Fügezone (Fig. 9) hat zur Folge, dass die Vorspannkräfte, die sich durch den dritten Fügeschritt einstellen, unsymmetrische Deformationen an den Fügepartnern 1 und 3 (bzw. 3 und 14) verursachen können. Die Deformationen können zu einem unerwünschten Versatz und zu einer Paralleli tätsabweichung der Hublagermittenachse (bzw. der zentralen Ach se 7 der Verbindung) gegenüber der Kurbelwellenachse 17 führen. Hier bieten sich verschiedene Maßnahmen zur Abhilfe an. Eine Möglichkeit ist, durch FEM-Rechnung oder durch experimentelle Ermittlung an Prototyp-Fügestellen die Abweichungen quantitativ zu ermitteln. Durch maßgeometrischen Gegenhalt der zu erwartenden Deformationen können in der Serienfertigung die Auswirkun gen kompensiert werden. Eine andere Möglichkeit ist, an der Öffnung 2 oder am Umfang des Zapfens 3 nicht kontaktierende Entlastungszonen vorzusehen. Näherungsweise gegenüber der nicht kontaktierenden Spiralenübergangszone (bzw. der Fügespie lausgleichszone) kann bspw. am Zapfen 3 eine Abflachung 23 (Fig. 19) bzw. in Öffnung 2 eine Rille 24 (Fig. 25) eingearbei tet sein. Die Feststellung der genauen Lage sowie der optimalen Ausdehnung der Entlastungszone kann wiederum rechnerisch oder experimentell erfolgen.

Damit alle Segmente der aus Einzelteilen aufgebauten Kurbelwel le exakt fluchten, d. h. dass die Zentren aller Hauptlager 22 der Kurbelwelle exakt auf Achse 17 zu liegen kommen, müssen fertigungsbedingte Abweichungen an Öffnung 2 und am Zapfen 3 ausgeglichen werden. Als besonders kritisch sind hier Abwei chungen im Absolutmaß, in der Streuung des Spaltmaßes 16 nach dem zweiten Fügeschritt, zu sehen. Als günstige Abhilfe bietet sich an, die Kurbelwelle vor dem Einbau in den Motor zu rich ten. Das Richten muß dabei auch ein radiales Ausrichten der Kurbelwellensegmente umfassen. Die dabei auftretenden plasti schen Verformungen in den Fügestellen können in Kauf genommen werden, sofern sich nicht in unzulässiger Weise die Vorspannun gen abbauen. Eine sorgfältige Abstimmung der Werkstoffeigen schaften, insbesondere der Zähigkeit, mit den geometriebestim menden Parametern der jeweiligen Fügestelle ist erforderlich.

Die erfindungsgemäße Fügefläche besteht aus vier Teilflächen, wobei jeweils zwei Teilflächen kontaktieren. Die erste Teilflä che ist die innere Oberfläche der kegeligen Öffnung 2. Sie be steht aus der Menge von Punkten P, die folgender Bedingung ge nügen:

r_p,N = (R₀ + z_p.tanβ₀).e;

Die zweite Teilfläche, die im dritten Fügeschritt in Kontakt zur ersten Teilfläche gelangt, ist die äußere Oberfläche des kegeligen Zapfens 3 (Fig. 1 und Fig. 10):

r_p,Z = (R₀ + (z_p - L_Z).tanβ₀).e

Darin ist r_p der kürzeste radiale Abstand des Punktes P von der Mittenachse 7 (gemessen im Abstand z_p von der Ebene 28 (r_P,N) bzw. Ebene 4 (r_P,Z), die die jeweilige Leitlinie 15 enthält). ϕ_P bzw. ist der zugehörige Polarwinkel des Punktes P im Achs normalschnitt (in o. a. Beziehungen ist ϕ_P im Bogenmaß ein zusetzen). Der Polarwinkel kann im Bereich ϕ_B < ϕ_p < 360° liegen. R₀ ist der kleinste Profilradius der Leitlinie 15 (Grundkreis radius bei ϕ = 0°) der Öffnung 2 in Ebene 28. Nach der Erfindung ist jedes Querschnittsprofil der Öffnung 2 sowie des Zapfens 3 der Abschnitt einer logarithmischen Spirale mit der Steigung tanα. Demnach ist der Radius R₀ gleichzeitig auch der kleinste Profilradius im Querschnitt 11 des Zapfens 3. β₀ ist der Ba sisneigungswinkel des Kegels 6; β₀ ist der kleinste Winkel, den die Kegelerzeugende bei ϕ_p = 0° mit der Achse 7 des Kegels 6 einschließt. Punkte der Öffnung 2 können im Abstand 0 ≦ z_p < L_N (L_N = Nabenbreite) von der Ebene 28 entfernt liegen. Für Punkte des Zapfens 3 gilt der Abstandsbereich 0 ≦ z_p ≦ L_Z (L_Z = Zapfenbreite) zur Ebene 4. Der Steigungswinkel α bzw. die Steigung tanα der logarithmischen Spirale ist in jedem Punkt der Öffnung 2 und des Zapfens 3 im angegebenen Winkelintervall ϕ_p und Abstands intervall z_p gleich groß (α = const.). Die dritte und vierte Füge teilfläche sind die ebene Fläche 4 und die ebene Fläche des Öffnungsrandes 10. Die Mittenachse 7 steht auf beide Ebenen (4 und 28) senkrecht. Die dritte und vierte Fügeteilfläche kommen durch den Fügevorgang im zweiten Fügeschritt in direkten Kon takt zueinander.

Im Falle der quasikegeligen Ausführung (Fig. 11 bis Fig. 13) wird die Öffnung 2 durch folgende Punktmenge gebildet:

r_p,N = R₀.e + z_p.tanβ

Für den quasikegeligen Zapfen 3 gilt:

r_p,Z = (R₀ - L_Z.tanβ).e + z_p.tanβ

Hierin ist β der kleinste Winkel, den jede Erzeugende 27 mit der Achse 7 einschließt (β = β₀ = const.; Fig. 13). Bei der quasi kegeligen Ausführung sind lediglich die Leitlinien 15 exakte logarithmische Spiralenabschnitte. Alle Querschnittsprofile, die nicht in die Ebenen 28 bzw. 4 fallen, sind hierzu Parallel linien.

Zwecks Übersichtlichkeit wird in den Fig. 14 bis 25 auf die Darstellung einiger charakteristischer Merkmale von Kurbelwel len verzichtet. Es fehlen Details, die zur Erklärung der erfin dungsgemäßen Lösung irrelevant sind. So fehlen beispielsweise das jeweilige Gegengewicht an der Kurbelwange zum Massenaus gleich und die Schmierölbohrungen.

Fig. 14 bis Fig. 19 zeigen eine Hauptausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Hubzapfen 14 ist stoffschlüs sig mit der linken Kurbelwange 1 und dem daran anschließenden Hauptlager 22 verbunden und kann dabei aus dem Vollmaterial herausgebildet oder angeformt sein. Die axiale Öffnung 2 ver läuft innerhalb des Hubzapfens 14 und der Kurbelwange 1, wobei der Hubzapfen 14 einen Teilabschnitt der in der Kurbelwange 1 ausgebildeten parallel zur Längserstreckung der Kurbelwelle verlaufenden Aufnahmeöffnung 2 aufweist. Die Öffnung 2 kann darstellungsgemäß durchgehend oder - nicht dargestellt - als Sackloch ausgeführt sein. Die Pleuelstange 19 mit dem fest ver bundenen Pleuellager 18 ist bereits drehbar auf dem Hubzapfen 14 montiert. Die rechte aufnahmeöffnungfreie Kurbelwange 5 ist drehlagengerecht positioniert. Mit ihr ist der zapfenförmige Vorsprung 3 an der einen Stirnseite 30 und ein anderes Hauptla ger 22 an der anderen Stirnseite 31 stoffschlüssig verbunden.

Nach dem zweiten Fügeschritt (Fig. 15) stellt sich zwischen der linken Kurbelwange 1 (mit stoffschlüssig angeformten Hubzapfen 14) und dem Zapfen 3 der radiale Spalt 16 ein. Die ebenen Fü geflächen 10 des Hubzapfens 14 und der rechten Kurbelwange 5, Ebene 4, liegen aneinander an. Der nachfolgende dritte Fü geschritt bringt die rechte Kurbelwange 5 mit der linken Kur belwange 1 exakt zur Deckung. Die Spiralenübergangszone in Öff nung 2 ist hier beispielhaft so ausgebildet, wie sie sich durch das bekannte Fräsen kostengünstig herstellen läßt. Dagegen hat der Zapfen 3 ein Profil in der Spiralenübergangszone, das sich mit einem CNC-Unrunddrehen kostengünstig einstellt. Zudem hat der Zapfen 3 eine Abflachung 23, die zur Zentrierung unter Ein wirkung des sich im dritten Fügeschritt einstellenden radialen Fugendruckes dient (Fig. 18, Fig. 19). In Fig. 17 ist eine Un tervariante der beschriebenen ersten Hauptausführungsvariante nach dem zweiten Fügeschritt dargestellt. Sie unterscheidet von Fig. 15 dadurch, dass der Hubzapfen 14 stoffschlüssig mit dem Zapfen 3 und der rechten Kurbelwange 5 verbunden ist. Die bei den Fig. 18 und 19 verdeutlichen, dass der Zapfen 3 über weite Oberflächenbereiche mit der linken Kurbelwange 1 (und dem stoffschlüssig angeformten Hubzapfen 14) flächig kontaktiert. Nach dem letzten Fügeschritt, dem Einbau der Kurbelwelle in den Motor, verhindert der Abstand zwischen den Drehachsen 7 und 17 durch Hebelwirkung, dass sich die Fügeverbindung selbsttätig löst (Fig. 19). Die Fixierung um die Lager 22 ist somit gleich zeitig eine Verdrehsicherung gegen eine Löse-Drehbewegung um Achse 7.

In den Fig. 20 und 21 ist eine weitere Hauptausführungsvariante dargestellt. Der Unterschied zur vorhergehenden Ausführungsva riante besteht darin, dass der Hubzapfen 14 als eigenständiges, separates Bauteil ausgebildet ist und an seinen beiden Stirn seiten 21 jeweils einen Zapfen 3 zum Fügen an die Kurbelwangen 1 bzw. 5 aufweist. Die Leitlinien 15 der Öffnung 2 in Bauteil 1 und die Leitlinie 15 der Öffnung 2 in Bauteil 5 haben unter schiedliche Windungsorientierungsrichtungen (Linksgängigkeit bzw. Rechtsgängigkeit). Die beiden Öffnungen 2 liegen einander spiegelbildlich gegenüber, wobei die Symmetrieachse die gedach te zugehörige Kolbenlaufrichtungsachse/Zylinderachse des Mo tors ist. Demnach haben auch die beiden Zapfen 3 des Hubzapfens 14 in Querschnittsprofilen gleicher Blickrichtung gegenläufige Spiralenwindungsorientierungsrichtungen zu einander.

Der Ablauf des Zusammensetzens zweier Kurbelwellensegmente ist folgender: Die einteilige Pleuelstange 19 mit Lager 18 wird auf den Hubzapfen 14 geschoben. Zu beiden Seiten des Hubzapfens 14 wird die jeweilige Kurbelwange 1 bzw. 5 auf den jeweils zuge ordneten Zapfen 3 aufgeschoben. Dabei haben die Kurbelwangen 1 und 5 einen relativen Drehversatz in zweifacher Höhe des Fü gespielausgleichswinkels ϕ_F zuzüglich des Lastwinkels ϕ_L zu einander (Fig. 20). Nun werden die Kurbelwangen zueinander ver dreht, bis die beiden Hauptlager 22 zu Überdeckung kommen und die Hauptlagermittelpunkte auf 17 liegen (Fig. 21). Während dieser Drehbewegung braucht der Hubzapfen 14 nicht sonderlich fixiert oder abgestützt werden. Durch die Hauptlagerfixierung in der Einbaulage der Kurbelwelle im Motor wird ein Lösen der Fügeverbindungen als Folge einwirkender Betriebskräfte verhin dert.

In einer nicht dargestellten, funktional gleichwertigen Unter variante der letzt genannten Hauptausführungsvariante sind die Zapfen 3 nicht mit dem Hubzapfen 14 stoffschlüssig verbunden, sondern mit der Kurbelwange 1 bzw. 5 stoffschlüssig verbunden. Dafür sind die kegeligen Öffnungen 2 nicht an den Kurbelwangen 1 und 5, sondern an beiden Seiten innerhalb des Hubzapfens 14 einander spiegelbildlich gegenüberliegend mit unterschiedlichen Windungsorientierungsrichtungen angeordnet.

Auf eine dritte, der zweiten ähnliche Hauptausführungsvariante beziehen sich die Fig. 22 bis 25. Fig. 22 und 23 zeigen den Hubzapfen 14 mit den Kurbelwangen 1 und 5 in Stecklage. Der Hubzapfen 14 ist ein separates Bauteil; zu seinen beiden Enden hin öffnen sich wiederum die kegeligen Zapfen 3. Abweichend von der letzten Variante haben die Leitlinien 15 der kegeligen Öff nung 2 in Kurbelwange 1 und die Leitlinie 15 der kegeligen Öff nung 2 in Bauteil 5 die gleiche Spiralenwindungsorientierung. Demnach haben auch die an beiden Enden des Hubzapfens 14 ange ordneten Zapfen 3 die gleiche Spiralenwindungsorientierung. Es ergibt sich daher gegenüber voriger Ausführungsvariante ein Un terschied im Fügeablauf.

Nachdem die Pleuelstange 19 samt Pleuellager 18 auf den Hubzap fen gesetzt wurde, erfolgt im ersten Fügeschritt die Drehposi tionierung der Bauteile. Die vorliegende Ausführungsvariante erfordert, dass die Kurbelwangen 1 und 5 die gleiche Drehlage bzgl. der Hubzapfenachse 7 haben. Somit befinden sich in Fig. 23, der Seitenansicht nach dem zweiten Fügeschritt, beide Hauptlager 22 in Überdeckung und haben die gemeinsame Mitten achse 17. Der nachfolgende Fügeschritt drei erfolgt für beide Kurbelwangen 1 und 5 gleichzeitig, indem der Hubzapfen 14 ent gegen der Windungsorientierungsrichtung der Leitlinien 15 in Pfeilrichtung 26 gedreht wird. Dazu hat zumindest ein Zapfen 3 an seiner Stirnseite 32 eine unrunde Öffnung 25 zur Aufnahme eines schlüsselartigen Montagewerkzeuges (z. B. Innensechskant). Bei fester Halterung der beiden Kurbelwangen 1 und 5 wird mit tels des Werkzeuges der Hubzapfen 14 verdreht, wodurch die drei Bauteile miteinander verspannt werden. Fig. 24 und 25 zeigen die Position der Fügepartner nach Erreichen ihrer kraftschlüs sigen Verbindung. Die Parameter der Fügeflächen müssen hier so gewählt sein, daß durch Selbsthemmung infolge der Reibungsver hältnisse die unter Betriebslast auftretenden verbindungslösen den Umfangskräfte und Schwingungen am Hubzapfen 14 sicher auf gefangen werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Welle-Nabe- Verbindungen ist die primäre Beanspruchungsart des Hubzapfens 14 nicht die Torsion, da die Achse des Hubzapfens 14 außerhalb der Drehachse der Kurbelwelle liegt, so daß die Lösungstendenz der erwirkten Verbindung nicht übermäßig stark ist. Zudem kann die Windungsorientierungsrichtung der Leitlinien 15 in Abhän gigkeit der vorgegebenen Kurbelwellendrehrichtung so gewählt werden, daß die im Betriebszustand auftretenden Umfangskräfte entgegen der verbindungslösenden Drehrichtung überwiegend form schlüssig übertragen werden. Es kann aber auch alternativ eine Verdrehsicherung (z. B. Spannstift, Wurmschraube, Ausfüllen der nicht kontaktierten Umfangszone(n) mit niedrigschmelzendem Werkstoff, Klebstoff oder dgl.) zwischen dem Hubzapfen 14 und den Kurbelwangen 1 und 5 vorgesehen werden. Die Spiralenüber gangszonen in den Öffnungen 2 sind in Fig. 23 und Fig. 25 der gestalt ausgebildet, wie sie sich durch das bekannte Präzisi onsschmieden ohne weitere mechanische Nachbearbeitung kosten günstig herstellen lassen. Dagegen hat die jeweilige Spiralen übergangszone am Zapfen 3 in Fig. 23 und Fig. 25 die Profil form, die sich durch das bekannte Fräsen ergibt.

Für sehr kleine Kegelöffnungswinkel α (< 3°) von Zapfen 3 und Aufnahmeöffnung 2 ist es auch denkbar, deren Leitlinien 15 an statt als logarithmische Spiralenabschnitte in Form von archi medischen Spiralenabschnitten auszubilden. Dies erbringt bei der Drehbearbeitung des Zapfens 3 und der Aufnahmeöffnung 2 da hingehend vereinfachende Vorteile, daß nur wenige Stützpunkte für die Profilbeschreibung, d. h. wenige Steuerbefehle für das Drehwerkzeug erforderlich sind.

Claims

1. Gebaute Kurbelwelle, welche aus einer Mehrzahl von Kurbel wangen, an diesen angeordneten Hauptlagern und Hubzapfen sowie auf den Hubzapfen drehbar mit einem Pleuellager befestigten Pleuelstangen besteht, wobei die Kurbelwangen seriell mittels Welle-Nabe-Verbindungen in Form von kegelartigen Aufnahmeöff nungen und formnegativen, zu den zugehörigen Öffnungen hinge wandt sich erweiternden Zapfen miteinander kraftschlüssig ver bunden sind, welche derart aufgebaut sind, daß im Achsnormal schnitt die Umfangslinien des Innenumfanges der Öffnungen und des Außenumfanges der Zapfen als logarithmische Spiralenab schnitte gebildet sind, welche in Stecklage von Zapfen und Öff nung ineinandergreifen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Fügeflächen der Welle-Nabe-Verbindung jeweils einen einzigen logarithmischen Spiralenabschnitt besitzen,
daß in kongruenter Drehlage von Zapfen (3) und Aufnahmeöffnung (2) die Außenabmessungen des Zapfens (3) bezüglich denen der Aufnahmeöffnung (2) Untermaß besitzen,
daß sich an den Zapfen (3) auf der der Öffnung (2) abgewandten Sei te ein mit diesem wirkverbundener axialer Anschlag (4) an schließt, der sich am Öffnungsrand (10) der Aufnahmeöffnung (2) abstützt,
daß der Kraftschluß durch einen mittels einer Relativdrehbewe gung von Zapfen (3) und Öffnung (2) zueinander erwirkten axia len Formschluß gebildet ist, bei dem der Anschlag (4) am Öff nungsrand (10) der Aufnahmeöffnung (2) anliegt,
und daß die Kurbelwelle in radialer Richtung durch die aus dem Versatz der Achse (7) des Hubzapfens (14) zu der Achse (17) des Hauptlagers (22) sich ergebende Hebelwirkung in Einbaulage im Motor unverrückbar fixiert ist.

2. Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftschluß zusätzlich durch einen Reibschluß zwischen der Aufnahmeöffnung (2) und dem Zapfen (3) mittels der Relativ drehbewegung gebildet ist.

3. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Längsschnitt die Form des Zapfens (3) und der zugehöri gen Aufnahmeöffnung (2) der Form des Längsschnitts des Stumpfes eines geraden Kegels entspricht.

4. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Zapfens (3) und der zugehörigen Aufnahmeöff nung (2) quasikegelig ist, wobei die Fügefläche von Erzeugenden aufgespannt ist, die die zentrale Achse (7) der Fügeverbindung unter einem konstanten Winkel β schneiden.

5. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeöffnung (2) an ihrem Innenumfang oder der Zap fen (3) an seinem Außenumfang zumindest eine Entlastungszone (23, 24) aufweist, die unsymmetrische Deformationen der Füge partner beim Fügen ausgleicht.

6. Kurbelwelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastungszone durch eine Abflachung (23) des Zapfens (3) gebildet ist.

7. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastungszone durch eine in den Innenumfang der Auf nahmeöffnung (2) eingearbeitete Rille (24) gebildet ist.

8. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügepartner (2, 3) einen maßgeometrischen Gegenhalt zu den Deformationen aufweisen.

9. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Anschlag (4) flächig ist und mit dem Zapfen (3) stoffschlüssig verbunden ist, wobei der Anschlag (4) im Anschluß an das verjüngte Ende (29) des Zapfens (3) absatzartig mit zum Öffnungsrand (10) der Aufnahmeöffnung (2) parallel ver laufender Anschlagfläche ausgebildet ist.

10. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Hubzapfen (14) an der Kurbelwange (1) angeformt ist und einen Teilabschnitt der in der Kurbelwange (1) ausgebildeten parallel zur Längserstreckung der Kurbelwelle verlaufenden Auf nahmeöffnung (2) aufweist.

11. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Welle-Nabe-Verbindung dienende Zapfen (3) an der Stirnseite (30) einer aufnahmeöffnungfreien Kurbelwange (5) ausgebildet ist.

12. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Hubzapfen (14) ein separates Bauteil der Kurbelwelle ist, welches an beiden Stirnseiten (21) jeweils einen Zapfen (3) der Welle-Nabe-Verbindung trägt.

13. Kurbelwelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zapfen (3) am Außenumfang Spiralenabschnitte mit zueinander gegenläufigen Spiralwindungsorientierungsrichtungen aufweisen.

14. Kurbelwelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zapfen (3) am Außenumfang Spiralenabschnitte mit Spiralwindungen gleicher Orientierungsrichtung aufweisen.

15. Kurbelwelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der beiden Zapfen (3) an seiner Stirnseite (32) eine unrunde Montageöffnung (25) aufweist, in der ein Mon tagewerkzeug formschlüssig aufnehmbar ist.

16. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitlinien (15) der Fügeflächen der Welle-Nabe- Verbindung anstatt als logarithmische Spiralenabschnitte in Form von archimedischen Spiralenabschnitten ausgebildet sind.

17. Verfahren zur Herstellung von gebauten Kurbelwellen, wobei eine Pleuelstange auf einen Hubzapfen einer Kurbelwange der Kurbelwelle aufgeschoben und dort drehbar befestigt wird, wo nach eine benachbarte Kurbelwange mit der schon mit der Pleuel stange versehenen Kurbelwange durch eine Welle-Nabe-Verbin dungstechnik kraftschlüssig gefügt wird, wobei die Nabe von ke gelartigen Aufnahmeöffnungen, deren Fügeflächen im Achsnormal schnitt Umfangslinien in Form von zumindest näherungsweise lo garithmischen Spiralenabschnitten besitzen, und die Welle von formnegativen zu den zugehörigen Öffnungen hingewandt sich er weiternden Zapfen gebildet werden, dadurch gekennzeichnet,
dass die Fügeflächen jeweils mit einem einzigen logarithmi schen Spiralenabschnitt ausgestaltet werden,
dass der Zapfen (3) so gefertigt wird, daß dessen Außenab messungen bezüglich denen der Aufnahmeöffnung (2) Untermaß besitzen,
daß die Kurbelwangen (1, 5) derart drehpositioniert werden, daß der jeweilige Zapfen (3) in die zugehörige Aufnahmeöff nung (2) mit geringem Spiel einschiebbar ist,
daß nach der Positionierung die jeweilige Kurbelwange (1, 5) mit ihrer Aufnahmeöffnung (2) mit dem Zapfen (3) soweit zu sammengesteckt wird, bis ein mit dem Zapfen (3) verbundener axialer Anschlag (4) am Öffnungsrand (10) der Aufnahmeöff nung (2) zur Anlage kommt,
daß danach die Aufnahmeöffnung (2) und der Zapfen (3) entge gen der Spiralwindungsorientierungsrichtung relativ zueinan der verdreht werden, bis sich der Zapfen (3) mit der die Aufnahmeöffnung (2) tragenden Kurbelwange (1) axial ver spannt und die Hauptlagerachsen (17) der einzelnen Kurbel wangen (1, 5) miteinander fluchten,
daß in der Verspannungslage die Radialrelativlage von Öff nung (2) und Zapfen (3) vorfixiert wird,
und daß nach der sukzessiven Aneinanderfügung der für die gesamte Kurbelwelle benötigten Kurbelwangen (1, 5) die Kur belwelle an den mit den Kurbelwangen (1, 5) verbundenen Hauptlagern (22) in einem Motor gelagert wird und die vorfi xierten Kurbelwangen (1, 5) dabei durch die aufgrund des Ab standes zwischen der Hubzapfenachse (7) und der Drehachse der Kurbelwelle entstehende Hebelwirkung endfixiert werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorfixierung der Radialrelativlage durch reibschlüssi ges Anlegen der Fügeflächen von Aufnahmeöffnung (2) und Zapfen (3) aneinander während deren Verdrehung erfolgt.

19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorfixierung der Radialrelativlage durch Spreizdorne erfolgt, die in axiale Bohrungen der Hauptlager (22) der Kur belwangen (1, 5) eingeschoben werden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Spreizdorne aus den Bohrungen nach der Endfixierung wieder herausgelöst werden.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle vor dem Einbau in den Motor gerichtet wird.