DE10101136C1 - Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Eine Hubkolbenbrennkraftmaschine weist mindestens zwei Zylinder, ein Kurbelgehäuse und eine Kurbelwelle auf, wobei das Kurbelgehäuse und die Kurbelwelle aus Materialien mit unterschiedlichem Wärmedehnungsverhalten gefertigt sind. In Axialrichtung der Kurbelwelle sind mindestens zwei Hauptlager vorgesehen, wobei ein Hauptlager als Axiallager ausgeführt ist. Die Längsabmessungen der Kurbelwelle und des Kurbelgehäuses sind so gewählt, dass bei der Betriebstemperatur der Hubkolbenbrennkraftmaschine die Mittelachse jedes Zylinders mit der Mitte des entsprechenden Pleuellagers fluchtet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern, mit einem Kurbelgehäuse und mit einer Kurbelwelle, wobei das Kurbelgehäuse und die Kurbelwelle aus Materialien mit unterschiedlichem Wärmedehnungsverhalten gefertigt sind, wobei in Axialrichtung der Kurbelwelle mindestens zwei Hauptlager vorgesehen sind und wobei ein Hauptlager als Axiallager ausgeführt ist.

Eine derartige Hubkolbenbrennkraftmaschine ist beispielsweise aus der DE-Z "MTZ", Motorentechnische Zeitschrift 38, H 7/8, Seiten 289 bis 298 bekannt.

Bei Hubkolbenmotoren, insbesondere bei solchen Hubkolbenmotoren, die für die Verwendung in Kraftfahrzeugen vorgesehen sind, wird grundsätzlich ein möglichst kleines Bauvolumen angestrebt. Einer der maßgeblichen Parameter für die Aussenabmessungen des Hubkolbenmotors ist die Länge der Kurbelwelle. Diese wird im wesentlichen bestimmt durch die Breite und Anzahl der Pleuellager, der Hauptlager und der Kurbelwangen. Insbesondere bei solchen Motoren, bei denen das Kurbelgehäuse aus einer Leichtmetalllegierung besteht und die Kurbelwelle aus Stahl gefertigt ist, so dass erheblich unterschiedliche Wärmedehnungen gegeben sind, spielt das Wärmedehnverhalten eine erhebliche Rolle bei der konstruktiven Auslegung dieser Bauteile.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle sowie eine Kurbelwelle bereit zu stellen, die hinsichtlich ihrer Längsabmessungen optimiert ist.

Dieses technische Problem wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Abmessungen der Kurbelwelle und des Kurbelgehäuses so aufeinander abzustimmen, dass bei der Betriebstemperatur der Hubkolbenbrennkraftmaschine die Mittelachse jedes Zylinders mit der Mitte des entsprechenden Pleuellagers fluchtet. Die Betriebstemperatur des Motors liegt beispielsweise im Fall eines wassergekühlten Motors in der Größenordnung der Wassertemperatur im normalen Betriebszustand, beispielsweise ca. 90°C. Die Temperaturen im Bereich der Zylinderwandung liegen erheblich über dieser Temperatur. Der Montagezustand entspricht beispielsweise einer Raumtemperatur von 20°C. Bei diesen Temperaturverhältnissen ergibt sich ein erheblicher Dehnungsunterschied zwischen beispielsweise einem Kurbelgehäuse aus einer Aluminiumlegierung und einer Stahlkurbelwelle.

Erfindungsgemäß wird die Kurbelwelle auf den Betriebszustand ausgelegt. Im Betriebszustand, d. h. bei der vorgegebenen normalen Betriebstemperatur des Motors soll die Mittelachse jedes Zylinders mit der Mitte des entsprechenden Pleuellagers fluchten. Hieraus ergibt sich, dass im Montagezustand allenfalls für einen Zylinder die Mittelachse des Zylinders mit der Mitte des entsprechenden Pleuellagers fluchten kann und für alle übrigen Zylinder ein Versatz gegeben sein muss. Vorzugsweise ist an der Stelle, an der der Abtrieb stattfindet, d. h. an der die Kraft von der Kurbelwelle auf eine Kupplung bzw. ein Getriebe übertragen wird, ein Passlager bzw. Axiallager vorgesehen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung fluchtet im Montagezustand die Mitte des dem Passlager am nächsten gelegenen Pleuellagers im wesentlichen mit der Mitte des entsprechenden Zylinders und die Mitte jedes weiter von dem Passlager entfernt gelegenen Pleuellagers ist bezüglich der Mittelachse des entsprechenden Zylinders zum freien Wellenende hin versetzt, wobei der Versatz mit jedem weiter von dem Passlager bzw. Axiallager entfernt angeordneten Zylinder zunimmt. Der Begriff im wesentlichen bedeutet hierbei, dass lediglich die unterschiedliche Wärmedehnung über den Abstand zwischen dem Passlager bzw. Axiallager und der Mitte des ersten Pleuellagers aufgefangen werden muß, was in der Praxis nahezu unerheblich ist. Der Abstand zwischen dem Passlager bzw. Axiallager und der Mitte des zweiten Pleuellagers ist demgegenüber erheblich größer, so dass hierbei ein deutlicher Versatz erforderlich ist. Da der Abstand zu dem Passlager bzw. Axiallager mit jedem weiteren Pleuellager zunimmt, nimmt vorzugsweise auch der Versatz mit jedem weiteren Pleuellager zu.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kurbelwelle für einen Sechszylinderboxermotor, wobei die Zuordnung der Pleuellagermitten zu den Mitten der zugeordneten Zylinder im kalten Zustand schematisch angedeutet ist und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Kurbelwelle eines Sechszylinderboxermotors, wobei die Zuordnung der Pleuellagermitten zu den zugeordneten Zylindern im betriebswarmen Zustand schematisch dargestellt ist.

Die Dimensionierung einer Kurbelwelle stellt grundsätzlich ein diffiziles konstruktives Problem dar, bei dem eine Vielzahl von Parametern beachtet werden muss. Besonders schwierig ist die Konstruktion der Kurbelwelle eines Boxermotors. Aufgrund der großen Lageranzahl ist die Kurbelwelle eines Boxermotors relativ lang. Um dennoch eine vertretbare Gesamtlänge der Kurbelwelle zu erreichen, werden üblicherweise relativ schmale Kurbelwangen vorgesehen. Insbesondere in Fällen, in denen ein großer Hubraum realisiert werden soll, ist jedoch eine steife Kurbelwelle notwendig, was wiederum breite Kurbelwangen erfordert. Wenn dennoch relativ schmale Kurbelwangen realisiert werden, wird mitunter der Versuch unternommen, die Steifigkeit der Kurbelwelle dadurch zu erhöhen, dass ein relativ hoher Überdeckungsgrad zwischen Pleuellager und Hauptlager bereit gestellt wird. Ein typisches Maß für den Hauptlagerdurchmesser eines Sechszylinderboxermotors ist beispielsweise 60 mm, wobei das typische Maß für das Pleuellager in diesem Fall 55 mm beträgt.

Ein starkes Pleuellager hat zur Folge, dass die Pleuelgeige sehr umfangreich wird. Hierdurch wird die Bodenfreiheit des Motors beeinträchtigt, insbesondere dann, wenn eine Ölpumpe unterhalb des Motors angeordnet ist.

Aus entsprechenden Gründen weisen Boxermotoren zudem oftmals einen relativ geringen Hub auf, so dass in der Praxis unvorteilhaft große Bohrungs-/Hubverhältnisse realisiert sind. Bei einer Vergrößerung des Hubs rücken die Pleuelgeigen dichter zueinander, so dass eine Kollision zwischen dem Kolben am unteren Totpunkt und der Pleuelbewegung des gegenüber liegenden Zylinders erfolgen kann. Eine Kompensation dieses Problems über ein kürzeres Kolbenhemd würde, insbesondere bei höherer Laufleistung, zu Klappergeräuschen und entsprechenden Nachteilen in der Standfestigkeit führen.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel eines Sechszylinderboxermotors ist die Breite der Kurbelwangen exakt auf das tatsächliche Lastkollektiv im befeuerten Motorbetrieb ausgelegt. Die in den Figuren dargestellte Kurbelwelle 1 weist ein sogenanntes freies Wellenende 2 und ein Abtriebswellenende 3 auf. An dem Abtriebswellenende 3 wird die Motorleistung abgenommen und, vorzugsweise über eine Kupplung, an ein Getriebe weitergeleitet. An dem freien Wellenende 2 wird allenfalls ein relativ geringer Teil der inneren Motorleistung abgenommen, beispielsweise für den Antrieb des Ventiltriebs oder für den Antrieb von Nebenaggregaten wie Lichtmaschine, Klimakompressor etc..

In den Figuren sind oberhalb der Kurbelwelle 1 die Zylinder 11, 13 und 15 einer ersten Zylinderbank und unterhalb der Kurbelwelle 1 die Zylinder 12, 14 und 16 der zweiten Zylinderbank schematisch dargestellt.

Fig. 1 zeigt die Lage der Pleuellagermitten zu den Mitten der zugeordneten Zylinder im kalten Zustand, d. h. im Zustand der Montage. Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, fluchtet die Mitte des ersten Pleuellagers 21 im wesentlichen mit der Mittelachse des zugeordneten Zylinders 11. Der Begriff im wesentlichen bedeutet hierbei, dass lediglich die unterschiedliche Wärmedehnung über den Abstand zwischen dem Passlager bzw. Axiallager und der Mitte des ersten Pleuellagers aufgefangen werden muß, was in der Praxis nahezu unerheblich ist. Der Abstand zwischen dem Passlager bzw. Axiallager und der Mitte des zweiten Pleuellagers ist demgegenüber erheblich größer, so dass hierbei ein deutlicher Versatz erforderlich ist.

Entsprechend ist die Mitte des zweiten Pleuellagers 22 ist gegenüber der Mitte des zweiten Zylinders 12 zum freien Wellenende 2 hin versetzt. Der Versatz nimmt mit jedem weiteren Pleuellager zu. Bei einem Zylinderabstand von jeweils 120 mm zwischen zwei benachbarten Zylindern einer Bank, d. h. beispielsweise einem Zylinderabstand von 120 mm zwischen den Zylindern 11 und 13 sowie zwischen den Zylindern 13 und 15 und einem Abstand der Kurbelwangen im Bereich der Pleuellager von einheitlich 20,5 mm wird der Versatz dadurch erreicht, dass die Hauptlagerbreiten, abgesehen von dem Axiallager 51, beginnend mit dem Kurbelwellenhauptlager 52 zum freien Wellenende 2 hin zunehmen. Bei einer Breite des Axiallagers 51 von 24 mm hat beispielsweise das erste Hauptlager 52 eine Breite von 21 mm, das zweite Hauptlager 53 eine Breite von 23 mm, das dritte Hauptlager 54 eine Breite von 25 mm, das vierte Hauptlager 55 eine Breite von 27 mm, das fünfte Hauptlager 56 eine Breite von 29 mm und das sechste Hauptlager 57 eine Breite von 31 mm.

Während die Breite der Hauptlager zum freien Wellenende hin zunimmt, nimmt die Breite der Kurbelwangen zum freien Wellenende hin ab. So haben beispielsweise die Kurbelwangen 111, 112 zu beiden Seiten des ersten Pleuellagers 21 eine Breite von jeweils 10 mm, die Kurbelwangen 113, 114 zu beiden Seiten des zweiten Pleuellagers 22 eine Breite von jeweils 9,5 mm, die beiden Kurbelwangen 115, 116 zu beiden Seiten des dritten Pleuellagers 23 eine Breite von jeweils 9 mm, die beiden Kurbelwangen 117, 118 zu beiden Seiten des vierten Pleuellagers 24 eine Breite von 8,5 mm, die beiden Kurbelwangen 119, 120 zu beiden Seiten des fünften Pleuellagers 25 eine Breite von jeweils 8 mm und die beiden Kurbelwangen 121, 122 zu beiden Seiten des sechsten Pleuellagers 26 eine Breite von jeweils 7,5 mm.

Fig. 2 zeigt die Kurbelwelle gemäß Fig. 1 hinsichtlich ihrer Lageorientierung zu den Zylinderbohrungen im betriebswarmen Zustand. Bei der beschriebenen Ausführungsform besteht das Kurbelgehäuse aus einer Aluminiumlegierung und die Kurbelwelle ist aus Stahl gefertigt. Hierdurch ergeben sich unterschiedliche Wärmeausdehnungen für das Kurbelgehäuse einerseits und die Kurbelwelle andererseits. Aufgrund der größeren Wärmedehnung des Kurbelgehäuses wird der ursprüngliche Versatz im kalten Montagezustand im betriebswarmen Zustand vollständig aufgehoben, so dass im betriebswarmen Zustand die Mitten der Pleuellager mit den Mitten der zugeordneten Zylinder fluchten. Im Montagezustand, d. h. bei Umgebungstemperatur (z. B. 20°C) fluchtet die Mitte des ersten Pleuellagers 21 mit der Mitte des ersten Zylinders 11, zwischen dem zweiten Pleuellager 22 und der Mittelachse des zweiten Zylinders 12 liegt ein Versatz von 1 mm vor, zwischen dem dritten Pleuellager 23 und der Mittelachse des dritten Zylinders 13 ein Versatz von 3 mm, zwischen dem vierten Pleuellager 24 und der Mittelachse des vierten Zylinders 14 ein Versatz von 6 mm, zwischen dem fünften Pleuellager 25 und der Mittelachse des fünften Zylinders 15 ein Versatz von 10 mm und zwischen dem sechsten Pleuellager 26 und der Mittelachse des sechsten Zylinders 16 ein Versatz von 15 mm. Im Bereich des sechsten Zylinders 16, der am weitesten von dem Axiallager 51 entfernt ist, tritt somit der größte Versatz auf. Da in diesem Bereich jedoch die schmalste Breite der Kurbelwangen vorgesehen ist, kann die Verschiebung aufgrund des unterschiedlichen Wärmedehnverhaltens bei der Konstruktion des Kurbelgehäuses relativ einfach berücksichtigt werden.

Claims (7)

1. Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern (11, 12, 13, 14, 15, 16), mit einem Kurbelgehäuse und mit einer Kurbelwelle (1), wobei das Kurbelgehäuse und die Kurbelwelle (1) aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmedehnungsverhalten gefertigt sind, wobei in Axialrichtung der Kurbelwelle (1) mindestens zwei Hauptlager (51, 52, 53, 54, 55, 56, 57) vorgesehen sind und wobei ein Hauptlager (51) als Axiallager ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsabmessungen der Hauptlager und der Kurbelwellenwangen der Kurbelwelle (1) so unterschiedlich ausgewählt sind, dass bei Betriebstemperatur der Hubkolbenbrennkraftmaschine die Mittelachse jedes Zylinders (11, 12, 13, 14, 15, 16) mit der Mitte des entsprechenden Pleuellagers (21, 22, 23, 24, 25, 26) fluchtet.

2. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei das Axiallager an der Stelle vorgesehen ist, an der der Abtrieb stattfindet, dadurch gekennzeichnet, dass im Montagezustand die Mitte des dem Axiallager (51) am nächsten gelegenen Pleuellagers (21) mit der Mittelachse des entsprechenden Zylinders (11) im wesentlichen fluchtet und die Mitte jedes weiter von dem Axiallager (51) entfernt gelegenen Pleuellagers (22, 23, 24, 25, 26) bezüglich der Mittelachse des entsprechenden Zylinders (12, 13, 14, 15, 16) zum freien Wellenende (2) hin versetzt ist, wobei der Versatz mit jedem weiter von dem Axiallager (51) entfernt angeordneten Zylinder (12, 13, 14, 15, 16) zunimmt.

3. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Kurbelwangen (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122) im Bereich der Hauptlager (51, 52, 53, 54, 55, 56, 57) der Kurbelwelle (1) mit zunehmendem Abstand vom Axiallager (51) zum freien Kurbelwellenende (2) hin zunimmt.

4. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwangen (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122) eine unterschiedliche Breite aufweisen.

5. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Kurbelwangen (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122) von der Stelle (3), an der der Abtrieb stattfindet, zum freien Wellenende (2) hin abnimmt.

6. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwangen (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122) an jeweils einem Hubzapfen die gleiche Breite aufweisen, so dass die Breite der Kurbelwangen (111, 112; 113, 114; 115, 116; 117, 118; 119, 120; 121, 122) paarweise abnimmt.

7. Hubkolbentrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubkolbenbrennkraftmaschine ein 6-Zylinder Boxermotor ist.