DE10062769A1

DE10062769A1 - Kurbelwelle

Info

Publication number: DE10062769A1
Application number: DE2000162769
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Burkhardt; Gerd Mischorr
Original assignee: MAN Nutzfahrzeuge AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2002-06-20

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kurbelwelle für Brennkraftmaschinen. Die Belastung der Pleuelzapfen einer Kurbelwelle ist über den Umfang des Pleuelzapfens gesehen sehr unterschiedlich. Bei Dieselmotoren mit einem hohen Verdichtungsverhältnis und daraus resultierendem hohen Verbrennungsdruck ist der Kolben im oberen Totpunkt am stärksten belastet. Die Lauffläche des Pleuelzapfens wird daher in dem Bereich, der dem Kolben in OT-Stellung zugewandt ist, am stärksten belastet. Um dieser über den Umfang der Lauffläche des Pleuelzapfens variierenden Belastung Rechnung zu tragen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Laufflächen (1a, 3c, 3d) der Pleuelzapfen (1) und/oder der Hauptlager (3a, 3b) über den Umfang gesehen eine variable Breite "x", "y" aufweisen, derart, daß die in einem bestimmten Bereich der Lauffläche wirkende Flächenpressung der in diesem Bereich auf sie einwirkenden Kraft angepasst werden kann. Durch die Variation der Breite der Lagerfläche kann eine gleichmäßige Flächenpressung erreicht werden. Da sich die Lagerfläche in niedrig belasteten Bereichen verringert, werden dort auch die Reibungsverluste verringert, die Folge ist eine Erhöhung des mechanischen Wirkungsgrades. Ferner reduziert sich die Masse des Pleuelzapfens und damit der Anteil der rotierenden Massenkräfte. Die Kurbelwelle wird dadurch insgesamt leichter. Bei schnelllaufenden Ottomotoren können die größten Kräfte als Massenträgheitskräfte in UT-Stellung des Kolbens auftreten. Bei ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kurbelwelle gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.

Kurbelwellen bestehen im Regelfall aus Pleuelzapfen, Kurbelwangen und Hauptlagern, wobei die Kraft der Kolben über die Pleuel an den Pleuelzapfen angreift. Die Kraft des Pleuelzapfens wird über die beiden Kurbelwangen an die Hauptlager weitergeleitet, über welche die Kurbelwelle geführt ist. Während der Drehung der Kurbelwelle erfahren die Lauffläche der Pleuelzapfen und der Hauptlager eine stark wechselnde Flächenpressung entsprechend den an den Pleuelzapfen angreifenden Kräften aus dem Gasdruck oder den Massenträgheits kräften.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Kurbelwelle so weiterzubilden, daß sie den Anorderungen an eine Reduzierung der Reibleistung und der Mas senkräfte und einer Steigerung der Festigkeit und Steifigkeit weitgehend gerecht wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentan spruches 1.

Durch die Verringerung der Breite der Lagerflächen in Bereichen die geringer belastet sind, läßt sich die Reibleistung spürbar reduzieren. Da z. B. bei Dieselmotoren die größten Kräfte im oberen und die geringsten Kräfte im unteren Tot punkt auftreten kann der im unteren Totpunkt belastete Bereich des Kurbelzap fens mit wesentlich geringerer Laufflächenbreite ausgeführt werden. Da die Ver ringerung der Breite der Lauffläche wiederum zu einer Reduzierung der umlau fenden Masse des Pleuelzapfens führt, werden auch die rotierenden Massenkräfte einer Kurbelwelle reduziert, was wiederum zu einer Verringerung der Aus gleichsmassen führt. Die Kurbelwelle wird insgesamt leichter.

Eine vorteilhafte Weiterbildung kann Anspruch 2 entnommen werden.

Der in Form einer sogenannten Korbgeometrie ausgeführte Übergang der Lauf fläche zur angrenzenden Kurbelwange setzt den Kerbfaktor und die Spannungs überhöhung bis zu einem Faktor 8 gegenüber den üblichen Übergängen herab.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen können den Unteransprüchen 3 und 4 ent nommen werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind an Hand von Zeichnungen dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Kröpfung einer Kurbelwelle mit angrenzendem Hauptlager

Fig. 2 einen Pleuelzapfen mit angrenzenden Kurbelwangen und einem Übergang vom Pleuelzapfen zu den Kurbelwangen in Form einer Korbgeometrie

Fig. 3 einen Schnitt III-III durch den Pleuelzapfen mit eindimensionalem Über gang

Fig. 4 einen Pleuelzapfen mit angrenzenden Kurbelwangen und ein Übergang vom Pleuelzapfen zu den Kurbelwangen in Form einer mehrdimensional geformten Einkerbung

Fig. 5 einen Schnitt V-V durch den Pleuelzapfen mit mehrdimensionalem Über gang

Fig. 6 eine Kröpfung einer Kurbelwelle mit Darstellung der ausnutzbaren Breite der Kurbelwangen

Fig. 1 stellt eine Kröpfung einer Kurbelwelle mit einem angrenzenden Hauptla ger dar. Die Kurbelwelle besteht im wesentlichen aus einem Pleuelzapfen 1, an den Pleuelzapfen 1 angrenzenden Kurbelwangen 2a, 2b und den der Führung der Kurbelwelle dienenden Hauptlagern 3a, 3b. Die Lagerflächen 1a des Pleuelzap fens 1 sowie die Lagerflächen 3c, 3d der Hauptlager 3a, 3b werden bei der An wendung von Kurbelwellen in Brennkraftmaschinen über den Umfang gesehen sehr unterschiedlich belastet. Die hier gezeigte Kröpfung soll am Beispiel einer Anwendung in einem Dieselmotor erläutert werden.

Bei Dieselmotoren übersteigen als Folge der hohen Verdichtung die Gaskräfte die Massenträgheitskräfte deutlich. Bei schnelllaufenden Ottomotoren ist dies umgekehrt.

Hier setzt nun die Erfindung ein, welche darin besteht, die Breite der Laufflächen 1a, 3c, 3d über den Umfang gesehen den in einem bestimmten Bereich angrei fenden Kräften anzupassen. Die Flächenpressung als Quotient aus Kraft und Flä che kann durch Wahl der Breite x bzw. y den gewünschten Erfordernissen ange paßt werden. Die Lagerbreite y bedeutet die Lagerbreite eines Hauptlagers 3a zwischen den Kurbelwangen 2a und 2c.

Fig. 2 zeigt eine Kröpfung einer Kurbelwelle bei welcher die Breite x der Lauf fläche 1a des Pleuelzapfens 1 verändert ist. Am Übergang vom Pleuelzapfen 1 zu den Kurbelwangen 2a, 2b sind einer Korbgeometrie nachempfundene Übergänge 4a, 4b vorgesehen, welche die Breite der Lauffläche 1a auf die Breite y reduzie ren. Die größten Kräfte auf den Pleuelzapfen 1 werden bei Dieselmotoren im o beren Totpunkt durch den Gasdruck ausgeübt. Erfindungsgemäß wird daher die Lauffläche 1a in dem Bereich, der die vollen Gasdruckkräfte erfährt, in voller Breite x ausgeführt. In dem Bereich des Pleuelzapfens 1 der die stark vermin derten Kräfte im unteren Totpunkt aufzunehmen hat, genügt die Breite z.

Durch die variabel gestaltete Breite x der Lauffläche 1a kann in dem Bereich der vollen Breite x der Übergang zu den angrenzenden Kurbelwangen 2a, 2b ohne den rotationssymmetrischen Übergang erfolgen, zumindest kann der Übergangs radius sehr klein gehalten werden. Die Folge ist eine Reduzierung der Baulänge der Kurbelwelle, da die Kurbelwangen 2a, 2b näher an die Lauffläche 1a heran geführt werden können. Den Übergängen 4a, 4b entsprechende Übergänge 4c, 4d können auch beim Übergang von den Kurbelwangen 2a, 2b zu den Laufflächen 3c, 3d vorgesehen werden.

Fig. 3 zeigt im Schnitt III-III den eindimensional geformten Übergang 4a. Die ser kann durch Fräsen, Schleifen oder Erodieren hergestellt werden. Die Fläche 5 ist eben, die Formgebung des Übergangs 4a ist aus Fig. 2 zu ersehen. Der Ü bergang 4b ist identisch.

Eine weitere Form des Übergangs vom Pleuelzapfen 1 und seiner Lagerfläche 1a zu den Kurbelwangen 2a, 2b geht aus Fig. 4 hervor. Die Verringerung der Breite der Lauffläche 1a erfolgt hier durch mehrdimensional geformte Einker bungen 6a, 6b. Die Übergänge 6c, 6d von den Kurbelwangen 2a, 2b zu den Lauf flächen 3c, 3d entsprechen den Übergängen 6a, 6b.

Der Verlauf der Einkerbung 6a im Querschnitt gesehen geht als Schnitt V-V aus Fig. 5 hervor. Durch eine günstige Formgebung der Einkerbung 6a können Ver ringerungen der Kerbwirkung bis herunter zum Faktor 1 erzielt werden. Die Ein kerbung 6b ist wiederum identisch mit Einkerbung 6a.

Fig. 6 zeigt die Vergrößerung der ausnutzbaren Breite w der Kurbelwangen 2a, 2b. Da die Lagerflächen 3c, 3d erfindungsgemäß ohne Übergangsradien bis an die Kurbelwangen 2a, 2b geführt werden können, ist es bei vorgegebener Lager fläche möglich, die Wangen 2a, 2b breiter zu machen. Zum Vergleich ist in Fig. 6 die herkömmliche Geometrie mit Übergangsradien gestichelt dargestellt.

Die Erfindung kann auch angewendet werden, wenn an Stelle von Gleitlagern Wälzlager verwendet werden, wobei die Vorteile hinsichtlich Biegebelastung und Verringerung der umlaufenden Massenkräfte erhalten bleibt.

Claims

1. Kurbelwelle, bei der jede Kröpfung aus Pleuelzapfen 1, Kurbelwangen 2a, 2b und Hauptlagern 3a, 3b besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufflächen (1a, 3c, 3d) der Pleuelzapfen (1) und/oder der Hauptlager (3a, 3b) über den Umfang gesehen eine variable Breite "x", "y" aufweisen, derart, daß die in einem bestimmten Bereich der Lauffläche wirkenden Flächenpressung der in diesem Bereich auf sie einwirkenden Kraft angepasst werden kann.

2. Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Pleu elzapfen (1) und/oder Hauptlager (3a, 3b) eine von der größten Breite der Laufflächen (1a, 3c, 3d) ausgehende Verringerung der Breite "x", "y" durch einer Korbgeometrie entsprechende Übergänge (4a, 4b) zu den angrenzenden Kurbelwangen (2a bzw. 2b) bzw. den angrenzenden Laufflächen (3c, 3d) er folgen.

3. Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Pleu elzapfen (1) und/oder Hauptlager (3a, 3b) eine von der größten Breite der Lauffläche (1a) ausgehende Verringerung der Breite "x", "y" durch mehrdi mensional geformte Einkerbungen (6a, 6b) im Übergangsbereich zu den an grenzenden Kurbelwangen (2a, 2b) bzw. den angrenzenden Laufflächen (3c, 3d) erfolgt.

4. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 2, 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fertigung der Korbgeometrie bzw. der Einkerbung durch eine nicht rotierende Bearbeitung wie Schleifen, Fräsen oder Erodieren erfolgt.

5. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 2, 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fertigung der Korbgeometrie bzw. der Einkerbung durch eine rotierende Be arbeitung, wie exzentrisches Drehen erfolgt.