DE102004026058B3

DE102004026058B3 - Gegossene hohle Kurbelwelle

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Publication number: DE102004026058B3
Application number: DE102004026058A
Authority: DE
Original assignee: R A E GmbH; Rae-Gmbh
Current assignee: R A E GmbH; Rae-Gmbh
Priority date: 2004-05-25
Filing date: 2004-05-25
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2024-05-26
Also published as: DE502005002420D1; ATE382799T1; EP1751438B1; EP1751438A1; WO2005116464A1

Abstract

Bei einer gegossenen Kurbelwelle (1) soll das Gewicht reduziert und dabei die Stabilität erhalten werden. Dazu wird erfindungsgemäß eine Kurbelwelle (1) mit Kurbelwellen-Lagerzapfen (2), Pleuel-Lagerzapfen (3), Kurbelwangen (4), Massenausgleichen (4a) und Ölkanälen vorgeschlagen, welche in einem konventionellen Gießverfahren mit verlorener Form, bei welchem feste Gießkerne in einer festen Außenform gelagert sind, hohlgegossen ist. Dabei ist in dem Hohlraum (8) zur Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit, insbesondere der Torsions- und Biegesteifigkeit, der Kurbelwelle (1) ein durchgängiges Versteifungselement (9) vorgesehen, das von einem Pleuel-Lagerzapfen (3) über eine daran angrenzende Kurbelwange (4) zu einem benachbarten Kurbelwellen-Lagerzapfen (2) durchgängig verläuft. Gießtechnisch bedingte Öffnungen (10) sind in den mechanisch weniger stark belasteten Konturenbereichen der Massenausgleiche (4a) vorgesehen, und die Kurbelwelle (1) weist eine ansonsten im wesentlichen geschlossene Außenkontur auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine gegossene hohle Kurbelwelle mit Kurbelwellen-Lagerzapfen, Pleuel-Lagerzapfen, Kurbelwangen, Massenausgleichen, Ölkanälen, die jeweils vom Außenumfang eines Kurbelwellen-Lagerzapfens zum Außenumfang eines Pleuel-Lagerzapfens verlaufen und der Lagerschmierung dienen, und einem Hohlraum, der sich über einen Kurbelwellen-Lagerzapfen, eine Kurbelwange und einen Pleuel-Lagerzapfen hinweg erstreckt.

Kurbelwellen sind wesentlicher Bestandteil von Maschinen (z.B. PKW- und LKW-Fahrzeugmotoren, Schiffsmotoren, stationären Motoren usw.). Eine Kurbelwelle weist dabei Kurbelwellen-Lagerzapfen auf, die der Lagerung der Kurbelwelle in Wellenlagern dienen. Ferner umfaßt sie Pleuel-Lagerzapfen für die Lagerung von Pleuelstangen in Pleuellagern. Zur Schmierung der Pleuellager sind Ölkanäle vorgesehen, die sich jeweils vom Außenumfang eines Kurbelwellen-Lagerzapfens zum Außenumfang eines Pleuel-Lagerzapfens erstrecken, also durch den Wellenkörper verlaufen. Das den Wellenlagern in bekannter Weise über eine zentrale Ölversorgung jeweils zugeführte Schmiermittel wird bei Rotation der Kurbelwelle an das Pleuellager, mit dem das jeweilige Wellenlager über den betreffenden Ölkanal verbunden ist, weitergeleitet.

Kurbelwellen sind aufgrund der sich beim Maschinenbetrieb zeitlich und örtlich stark ändernden Kräfte, Dreh- und Biegemonente und der daraus resultierenden Schwingungen sehr starken Belastungen ausgesetzt. Daher werden solche Wellen über wiegend massiv gefertigt, und zwar werden hochbelastete Wellen als Schmiedeteile aus z.B. Stahl ausgeführt und geringer belastete Wellen aus Stahl oder Gußeisen geeigneter Wahl gegossen. Die Ölkanäle, die jeweils zwischen einem Kurbelwellen-Lagerzapfen und einem Pleuel-Lagerzapfen verlaufen, werden nachträglich in den Wellenkörper eingebracht, i.d.R. gebohrt. Alternativ ist bekannt (z.B. aus der DE 196 12 678 A1 ), zur Ausbildung von Ölkanälen entsprechend positionierte Metallröhrchen beim Gießen der Kurbelwelle mit einzugießen. Nachteilig bei den massiven Kurbelwellen sind das sich auf den Kraftstoffverbrauch der Motoren negativ auswirkende hohe Gewicht der Wellen und die kostenintensive Fertigung bei den geschmiedeten Wellen. Das nachträgliche Einbringen der Ölkanäle birgt darüber hinaus die Gefahr, daß Bohrrückstände in der Kurbelwelle verbleiben, was zu einer Schädigung des Motors führen kann.

Zur Gewichtsreduktion sind beispielsweise aus der DE 42 39 691 A1 und der DE 195 36 349 C1 hohl ausgeführte Kurbelwellen bekannt, die aus einzelnen Platten und Rohren bzw. aus mehreren Segmenten zusammengesetzt (verschweißt) sind. Die Ölkanäle sind in Form von eingelegten Rohren oder in Form von in die Segmente eingebrachten Öffnungen realisiert. Derartige Wellen sind aufwendig in der Herstellung sowie relativ instabil und daher nicht für höhere Belastungen geeignet.

Ferner sind weiter unten näher beschriebene, hohlgegossene Kurbelwellen bekannt, bei denen aufgrund eingelegter Gießkerne ein Hohlraum im Inneren der Kurbelwelle freigespart ist. Die Wellenkörper derart hohlgegossener Kurbelwellen weisen an der Außenkontur der Wellen daher zahlreiche Kernlöcher auf, die durch die nötige sichere Lagerung der festen Gießkerne während des Gießprozesses entstehen und nach dem Gießen dazu dienen, das Kernmaterial vollständig entfernen zu können. Solche Kurbelwellen sind in der Praxis herstellbar, aber nicht in der Praxis (in Serie) in Brennkraftmaschinen einsetzbar, da sie auf Dauer nicht den beim Maschinenbetrieb auftretenden Kräften (insbesondere Torsions- und Biegekräften) Stand halten können. Ferner kann durch die zahlreichen Kernlöcher beim Maschinenbetrieb Schmiermittel in den Kurbelwelleninnenraum gelangen, was Unwuchten zur Folge hat.

Die GB 2 143 615 A offenbart eine hohlgegossene Kurbelwelle, deren Innenraum vollkommen hohl ausgeführt ist. Um die Versorgung der Lager mit Schmiermittel zu ermöglichen, sind in den Kurbelwellen-Lagerzapfen und in den Pleuel-Lagerzapfen Öffnungen vorgesehen, die durch nachträglich eingebrachte bzw. erzeugte Schmiermittelverbindungskanäle (z.B. flexible Schläuche oder schlauchartige Hohlräume in einem nachträglich in den Kurbelwelleninnenraum eingefüllten Füllmittel) verbunden sind.

Die in der DE 1 022 426 B gezeigte hohlgegossene Kurbelwelle weist bei im wesentlichen gleichmäßiger Wandstärke mehrere, z.T. S-förmig ausgebildete Hohlräume auf, die sich durch Kurbelarme, Pleuellager und Kurbelwellenlager erstrecken. Da die Hohlräume an ihren Enden ausmünden, ist die Außenkontur der Kurbelwelle an mehreren Stellen großräumig durchbrochen, wodurch die Kurbelwelle erheblich geschwächt ist. Durch die Anordnung der Hohlräume ergeben sich unterschiedliche, zusammenhängende Materialstränge. Zusammenhängende Materialstränge und Kurbelarme mit ovalem Querschnitt dienen der Stabilitätserhöhung der Kurbelwelle. Zur Schmiermittelversorgung der Pleuellager sind vorgeformte, entsprechend positionierte Rohre beim Gießen der Kurbelwelle mit eingegossen worden, die jeweils freiliegend durch die Hohlräume verlaufen.

Die GB 481 928 zeigt eine hohlgegossene Kurbelwelle ohne Ölkanäle. Durch eingegossene Versteifungstrennwände ist der Innenraum der Kurbelwelle in zahlreiche zellenähnliche Hohlräume untergliedert. Dabei sind die Trennwände in den Übergangsbereichen von Pleuel-Lagerzapfen bzw. Kurbelwellen-Lagerzapfen zu den jeweils angrenzenden Kurbelwangen quer zur Längsachse der Kurbelwelle angeordnet, d.h. die Kurbelwellen-Lagerzapfen und die Pleuel-Lagerzapfen sind vollkommen hohl ausgebildet. Weitere Trennwände sind in den Kurbelwangen selbst vorgesehen. Zur Stabilitätserhöhung werden bogenförmige Übergänge der Trennwände in die angrenzenden Wände und lokale interne Härtung vorgeschlagen.

In der DE 678 539 C wird eine hohlgegossene Kurbelwelle ohne Ölkanäle beschrieben. Zur Verbesserung der Stabilität wird vorgeschlagen, daß die Kurbelwelle entsprechend den verschieden großen äußeren Krafteinwirkungen verschieden große Wandstärken bzw. exzentrische Hohlräume aufweist. Zusätzlich können zur Versteifung eine oder mehrere längs und/oder senkrecht zur Kurbelwellenlängsachse verlaufende Rippen vorhanden sein.

In der nicht vorveröffentlichten DE 102 54 951 B4 ist eine gegossene hohle Kurbelwelle mit Kurbelwellen-Lagerzapfen, Pleuel-Lagerzapfen, Kurbelwangen, Massenausgleichen, Ölkanälen, die jeweils vom Außenumfang eines Kurbelwellen-Lagerzapfens zum Außenumfang eines Pleuel-Lagerzapfens verlaufen und der Lagerschmierung dienen, und einem Hohlraum, der sich über einen Kurbelwellen-Lagerzapfen, eine Kurbelwange und einen Pleuel-Lagerzapfen hinweg erstreckt, offenbart. Die im Lost Foam Verfahren gefertigte Kurbelwelle weist zur Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit in dem Hohlraum mindestens ein Versteifungselement auf, das durchgängig in dem Bereich eines Kurbel wellen-Lagerzapfens, einer Kurbelwange und eines Pleuel-Lagerzapfens verläuft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hohlgegossene Kurbelwelle mit hoher mechanischer Stabilität zu schaffen, die in Serie herstellbar und in Brennkraftmaschinen dauerhaft einsetzbar ist, sowie ein Verfahren und eine Blockform für die Herstellung einer derartigen Kurbelwelle bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine gegossene Kurbelwelle mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Dadurch, daß die erfindungsgemäße Kurbelwelle hohlgegossen ist (Hohlwelle), d.h. einen Hohlraum aufweist, der aufgrund besonderer gießtechnischer Maßnahmen freigespart ist, läßt sich eine hohe Gewichtsreduktion erreichen, was sich vorteilhaft auf den Kraftstoffverbrauch, auf die Emissionswerte und das Laufverhalten der Maschine auswirkt. Der Hohlraum muß nicht über die gesamte Länge der Kurbelwelle hinweg durchgängig ausgebildet sein, sondern er kann auch aus mehreren Hohlraumeinheiten gebildet sein. Eine Hohlraumeinheit kann sich beispielsweise über den Bereich eines Pleuel-Lagerzapfens, der angrenzenden Wange bis zu dem benachbarten Kurbelwellen-Lagerzapfen erstrecken; alternativ könnte eine Hohlraumeinheit den Bereich eines Pleuel-Lagerzapfens, die beiden seitlich daran links und rechts anschließenden Kurbelwangen und die folgenden Kurbelwellen-Lagerzapfen (oder Teile davon) umfassen, usw..

Beim Maschinenbetrieb ist die Kurbelwelle starken mechanischen Belastungen ausgesetzt, wie z.B. Drehmonenten, Torsionskräften, Biegekräften, Biegewechselspannungen und anderen Spannungen, Schwingungen, Drehschwingungen usw.. Durch das in dem freigesparten Hohlraum vorgesehene, erfindungsgemäße Versteifungselement wird erreicht, daß trotz der hohlen Ausführung der Kurbelwelle die für den Wellenbetrieb in einem Motor erforderliche mechanische Stabilität bzw. Belastbarkeit der Kurbelwelle, insbesondere die Torsions- und Biegesteifigkeit der Kurbelwelle, gegeben ist. Das erfindungsgemäße, vorteilhafterweise in Form einer Verstrebung, Rippe, Wand oder dergleichen ausgebildete Versteifungselement, das sich im Hohlraum von einem Pleuel-Lagerzapfen über die daran angrenzende Kurbelwange zu dem benachbarten Kurbelwellen-Lagerzapfen erstreckt (also längs zur Kurbelwellenachse angeordnet ist), bewirkt beim Motorbetrieb einen gezielten Kraftfluß, der von dem jeweiligen Pleuellagerzapfen die Belastungen, die aus den Zünddrücken des dem Zapfen zugeordneten Zylinders resultieren, abführt. Dies bedeutet, daß die auf das Pleullager einwirkenden Kräfte gezielt in Richtung auf das benachbarte Kurbelwellenlager weitergeleitet werden. Vorteilhafterweise erstreckt sich das erfindungsgemäße Versteifungselement in dem Hohlraum von einem Pleuel-Lagerzapfen aus nach rechts und links zu dem jeweils benachbarten rechten und linken Kurbelwellen-Lagerzapfen, um die auftretenden Kräfte gleichmäßig in Richtung auf die Kurbelwellenlager (Grundlager) weiterzuleiten.

Obwohl das Versteifungselement in Längsrichtung der Welle durchgängig ausgebildet ist, kann es in seinem Verlauf quer zur Kurbelwellenlängserstreckung ausgebildete Öffnungen aufweisen. Diese resultieren daraus, daß es für den Gießprozeß vorteilhaft ist, wenn die zur Formgebung des Hohlraumes benötigten Innenkerne beidseits des späteren Versteifungselementes für eine sichere Lagerung miteinander über Stege verbunden sind. Außerdem erleichtern derartige Querverbindungen nach dem Gießen die vollständige Entfernung des Kernmaterials.

Das erfindungsgemäße durchgängige Versteifungselement kann in dem Hohlraum im wesentlichen zentral, d.h. mittig (in der Symmetrieebene liegend), angeordnet sein. Alternativ können beispielsweise auch zwei (oder mehrere) im wesentlichen symmetrisch zur Mitte angeordnete durchgängige Versteifungselemente in z.B. V-förmiger oder paralleler Anordnung oder ein mittiges und mehrere seitliche durchgängige Versteifungselemente vorgesehen sein, die über die Kurbelwange zu dem benachbarten Kurbelwellen-Lagerzapfen führen. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können also von einem Pleuel-Lagerzapfen aus mehrere durchgängige Versteifungselemente vorgesehen sein. Bei mehreren durchgängigen Versteifungselementen ist es auch möglich, daß sich nicht alle Versteifungselemente bis in den Hohlraum des jeweiligen Kurbelwellen-Lagerzapfens erstrecken, sondern die äußeren Versteifungselemente können z.B. in den Mantel des Kurbelwellen-Lagerzapfens führen.

Ferner kann es zur weiteren Stabilitätserhöhung vorteilhaft sein, wenn zusätzlich zu dem mindestens einen erfindungsgemäßen durchgängigen Versteifungselement in dem Hohlraum Versteifungselemente vorgesehen sind, die nicht durchgängig ausgebildet sind, d.h. die z.B. lokal in einem Bereich (Bereich eines Pleuel-Lagerzapfens, einer Kurbelwange bzw. eines Kurbelwellen-Lagerzapfens) vorhanden sind. Diese können vorteilhafterweise in Form von Rippen, Stegen, Streben, Wänden, Wandelementen oder dergleichen ausgebildet sein.

Insgesamt hängen Anzahl, Art, Ausbildung, Anordnung und Dimensionierung der Versteifungselemente (durchgängig und/oder nicht durchgängig) von den konkreten Einsatzbelastungen der jeweiligen Kurbelwelle ab, z.B. von der Zylinderzahl und Ma schinenart, und lassen sich durch FE-Berechnungen, d.h. Berechnungen nach der Finite-Elemente-Methode, ermitteln.

Erfindungsgemäß sind gießtechnisch bedingte Öffnungen in der Außenkontur der Kurbelwelle in mechanisch weniger stark beanspruchten Bereichen ausgebildet, und die Kurbelwelle weist ansonsten eine im wesentlichen geschlossene Außenkontur auf. Damit wird eine hohe mechanische Stabilität der Kurbelwelle erzielt. "Mechanisch weniger stark beanspruchte Bereiche" sind Bereiche, in denen der aus den Zünddrücken der Zylinder resultierende Kräftefluß gering ist. Dies sind insbesodere die Konturenbereiche der Massenausgleiche. Dabei beginnt der Konturenbereich eines Massenausgleiches an der von dem Pleuellager abgewandten Seite der Kurbelwelle dort, wo das betreffende Kurbelwellenlager endet. Gießtechnisch sind Öffnungen in der Außenkontur der Kurbelwelle dadurch bedingt, daß für die Hohlraumbildung die Innenkerne über Stützen, Kernriegel oder dergleichen sicher gelagert werden müssen. Über die Öffnungen wird aus der gegossenen Kurbelwelle das Kernmaterial aus dem Hohlraum entfernt. Weitere Öffungen sind an den Stirnseiten der gegossenen Kurbelwelle ausgebildet. Dadurch, daß die Außenkontur der erfindungsgemäßen Kurbelwelle somit im wesentlichen geschlossen ist, wird ferner die Gefahr verringert, daß beim Motorbetrieb Öl in den Hohlraum der Kurbelwelle gelangen und zu Unwuchten führen kann.

Die Herstellung einer hohlgegossenen Kurbelwelle mit einem oder mehreren eingegossenen Versteifungselementen und im wesentlichen geschlossener Außenkontur erfolgt erfindungsgemäß in einem konventionellen Gießverfahren mit verlorener Form. Eine erfindungsgemäße Kurbelwelle wird erzeugt mit Hilfe fester Gießkerne, die in einer festen Außenform gelagert sind.

Geeignete Gußmaterialien sind insbesondere Gußeisen in verschiedenen Ausführungen, Legierungen und Behandlungen.

Ein Problem, mit einem konventionellen Gießverfahren eine hohl ausgeführte Kurbelwelle mit Versteifungselement zu erzeugen, kommt daher, daß die Pleuel-Lagerzapfen, d.h. die Kurbeln, in unterschiedlichen Winkelstellungen angeordnet sind, was zu Schwierigkeiten bei der Herstellung der Gießformen und der Innenkerne führt. Außerdem muß nach dem Gießen der Hohlraum trotz Versteifungselement(e) rückstandsfrei entkernbar sein.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist eine Kurbelwelle, bei der die Pleuel-Lagerzapfen in einer Ebene liegen, insbesondere eine Vierzylinder-Kurbelwelle, im Maskengießverfahren hergestellt. Weil bei einer derartigen Kurbelwelle die Pleuel-Lagerzapfen in einer Ebene (0° bzw. 180°) liegen, kann eine längsgeteilte Außenform (Formmaske) zum Einsatz kommen. In die längsgeteilte Außenform werden entsprechende Innenkerne für die Ausbildung des Hohlraumes und des Versteifungselementes, die über Kernstützen bzw. Kernriegel gelagert werden, eingebaut. Dabei ist zu beachten, daß die Lagerung, die zu Öffnungen der Außenkontur bei der fertig gegossenen Kurbelwelle führt, in Bereichen erfolgt, die nicht stark kräftebelastet sind, um die mechanische Stabilität der Kurbelwelle nicht zu mindern.

Kurbelwellen für einen Motor mit einer höheren Zylinderzahl (insbesondere mit Sechszylindern und mehr), bei denen die Pleuellagerzapfen nicht in einer Ebene liegen, sind gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung in einem Kernblock-Gießverfahren hergestellt. Um die unterschiedlichen Winkelstellungen der Pleuel-Lagerzapfen und den Hohlraum mit Versteifungselement(en) zu realisieren, wird die Außenform (Blockform) für die Außenkontur-Formgebung der Kurbelwelle erfindungsgemäß über die Länge der Welle längs und quer geteilt. Die Teilung quer zur Kurbelwellenlängsachse ist erforderlich, um die unterschiedlichen Winkelstellungen der Pleuel-Lagerzapfen zu realisieren. Durch die Querteilung entstehen mehrere Kernblockeinheiten (auch Etagenkerne genannt). Die Kernblockeinheiten werden wiederum jeweils längs geteilt (Teilung längs zur Kurbelwellenlängsachse), um entsprechend dem späteren verbleibenden Hohlraum geformte Innenkerne einbauen zu können. Auch beim Kernblock-Gießverfahren ist zu beachten, daß die Lagerung der Innenkerne, die zu Öffnungen der Außenkontur bei der fertig gegossenen Kurbelwelle führt, in Bereichen erfolgt, die nicht stark kräftebelastet sind, um die mechanische Stabilität der Kurbelwelle nicht zu mindern. Die Lagerung erfolgt an geeigneten Stellen über entsprechende Kernriegel bzw. Kernstützen. Geeignete Lagerungsorte sind insbesondere die Konturenbereiche der Massenausgleiche der Kurbelwelle. Die Innenkerne beidseits eines späteren Versteifungselementes können vorteilhafterweise miteinander verbunden sein, was zu lokalen Öffnungen in dem/den späteren Versteifungselement(en) führt. Wenn diese Öffnungen jedoch klein dimensioniert sowie richtig ausgebildet und angeordnet sind, behindern sie nicht den Kräftefluß. Die an den Stirnseiten der späteren Kurbelwelle angeordneten Innenkerne können an den seitlichen Rändern in der Außenform gelagert sein.

Das Prinzip des erfindungsgemäßen Kernblock-Gießverfahrens für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle beruht also darauf, daß die komplette Blockform gebildet wird, indem mehrere Kernblockeinheiten, die jede für sich wiederum längsgeteilt sind und in die entsprechende Innenkerne einmontiert sind, etagenartig übereinander gestapelt bzw. liegend nebeneinander angeordnet werden. Anschließend wird die Kurbelwelle auf konventionellem Wege gegossen. Der Kernstapel wird i.d.R. stehend gegossen, kann aber mit besonderen Vorkehrungen auch liegend gegossen werden. Die Kurbelwelle wird aus der Blockform entnommen, und das Kernmaterial der Innenkerne durch die Lagerungsöffnungen entfernt.

Es werden mehrere Kernblockeinheiten (Etagenkerne) in Längs- und Querteilung, je nach Ausführung der Konstruktion und Festlegung der Zündfolge, ausgeführt. Die erforderliche Stückzahl der Kernblockeinheiten hängt also von der jeweiligen Konzeption der Kurbelwelle bzw. des Motors ab. Durch den Aufbau der Blockform aus entsprechenden Kernblockeinheiten ist es möglich, Kurbelwellen mit jeder gewünschten Winkelstellung der Pleuel-Lagerzapfen zu erzeugen.

In der erfindungsgemäßen Ausführung der Kurbelwelle sind die Öffnungen in den Massenausgleichen vorgesehen. Die Massenausgleiche sind Bereiche der Kurbelwelle, die mechanisch wenig beansprucht sind, d.h. in denen der aus den Zünddrücken der Zylinder resultierende Kräftefluß gering ist. D.h. beim Gießen erfolgt die Lagerung der Innenkerne im Bereich der späteren Massenausgleiche über entsprechende Kernriegel oder dergleichen. Öffnungen der Außenkontur der Kurbelwelle in diesen Bereichen schwächen nicht die mechanische Stabilität der Kurbelwelle. Alternativ könnten Öffnungen auch in Bereichen zwischen Kurbelwellenlagern und Massenausgleich vorgesehen sein. Öffnungen in den Massenausgleichen selbst haben jedoch den Vorteil, daß die Gefahr, daß beim Motorbetrieb spritzendes Öl in den Innenraum der Kurbelwelle eindringt, geringer ist bzw. daß ggf. doch eingetretenes Öl infolge der beim Motorbetrieb auftretenden Fliehkraft wieder herausgeschleudert wird. Vorzugsweise können die Öffnungen jeweils im unteren Bereich der Massenausgleiche ausgebildet sein, um diese Wirkung zu ver stärken. Alternativ könnten die Massenausgleiche vorteilhaft auch seitlich geöffnet sein, und zwar an den Seiten, die nicht in Drehrichtung der Kurbelwelle liegen.

Eine weitere vorteilhafte Maßnahme, um die Gefahr des Eindringens von Öl in den Hohlraum der Kurbelwelle zu verringern, besteht darin, daß die Öffnungen eine spezielle Formgebung aufweisen (z.B. labyrinthartig, Abrißkanten an der Außenkontur des Massenausgleiches, veränderte Geometrie des Massenausgleiches (ungleiche Wangen) usw.), so daß der Eintritt von Öl in den Hohlraum erschwert wird.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die äußeren Ränder der Massenausgleiche verlängert ausgebildet, d.h. in Form von Abrißkanten realisiert. Durch diese Maßnahme wird an den Massenausgleichen anhaftendes Öl bei Rotation der Kurbelwelle durch die Fliehkraftwirkung zu den Abrißkanten gedrängt und weggeschleudert, so daß es nicht durch die Öffnungen in den Hohlraum der Kurbelwelle eindringen und dort zu Unwuchten führen kann.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung verlaufen die Ölkanäle in einem Versteifungselement und sind nachträglich in die gegossene Kurbelwelle eingebracht, z.B. gebohrt. Derartige Ölkanäle können relativ schmal ausgeführt sein, so daß das betreffende Versteifungselement ebenfalls eine relativ geringe Breite aufweisen können/kann, was sich vorteilhaft auf die Reduktion des Kurbelwellengewichts auswirkt.

Gemäß einer alternativen, vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Ölkanäle in Form von bei der Kurbelwellenherstellung eingegossenen Röhrchen ausgebildet. Derartige Röhrchen werden bei der Herstellung des betreffenden Innenkerns in diesen eingeschossen oder einmontiert. Ein derartiges Einbringen der Ölkanäle ist verfahrenstechnisch einfacher zu realisieren als ein nachträgliches Einbringen der Ölkanäle, und es fallen keine Bohrrückstände an. Ein weiterer Vorteil ist, daß der Ölkanal nicht in einem Versteifungselement verlaufen muß, so daß eine größere Freiheit bei der Ausbildung und Anordnung des Versteifungeelementes bzw. der Versteifungselemente gegeben ist.

Gemäß einer weiteren alternativen, vorteilhaften Ausführung der Erfindung können bei der Kurbelwellenherstellung durch spezielle Kerne Hohlräume freigesparte sein, die später ein Ölreservoir für die Lagerschmierung bilden. Beispielsweise durch nachträglich eingebrachte Bohrungen können die Verbindungen zu den betreffenden Lagern hergestellt sein.

Ferner wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen, in einem konventionellen Gießverfahren mit verlorener Form hohlgegossenen Kurbelwelle mit durchgängigem Versteifungelement mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 11 angegebenen Merkmalen. Die einzelnen Verfahrensmaßnahmen wurden weiter oben bereits beschrieben.

Für das Vorsehen von Ölkanälen in der Kurbelwelle gibt es mehrere Möglichkeiten: Für spätere Ölkanäle können gemäß einer ersten vorteilhaften Variante an entsprechenden Stellen in die Innenkerne Röhrchen eingearbeitet werden, die beim Gießen der Welle mit eingegossen werden. In einer zweiten vorteilhaften Variante werden die Ölkanäle in die gegossene Kurbelwelle durch mechanische, spanabhebende Bearbeitung eingebracht, z.B. gebohrt. Ferner besteht die vorteilhafte Möglichkeit, durch Einlegen von Kernen Hohlräume freizusparen, die später als Ölreservoir für die Lagerschmierung dienen.

Die oben genannte Aufgabe wird darüber hinaus erfindungsgemäß gelöst mit einer Blockform mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 14 angegebenen Merkmalen. Eine erfindungsgemäße Blockform wurde weiter oben bereits beschrieben.

In den Zeichnungen sind exemplarisch Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle dargestellt. Es zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt durch einen Pleuel-Lagerzapfen einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle,
2 einen schematischen Querschnitt durch eine Kurbelwange mit Massenausgleich der erfindungsgemäßen Kurbelwelle,
2a einen ausschnittsweisen Schnitt entsprechend der Linie X-X aus 2,
3 einen schematischen Querschnitt durch einen Kurbelwellen-Lagerzapfen der erfindungsgemäßen Kurbelwelle,
4 eine Abwandlung zu 2,
5 eine erfindungsgemäße Blockform im schematischen Längsschnitt und
6 die Blockform aus 5 im schematischen Querschnitt.
Die in den 1 bis 3 ausschnittsweise dargestellte gegossene hohle Kurbelwelle 1 weist Kurbelwellen-Lagerzapfen 2 für die Lagerung der Kurbelwelle 1 in Wellenlagern, Pleuel-Lagerzapfen 3 für die Lagerung von Pleuelstangen in Pleuellagern, Kurbelwangen 4, Massenausgleiche 4a und Ölkanäle auf. Die Ölkanäle, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel nicht darge stellt sind, da sie hier nachträglich durch mechanische, spanabhebende Bearbeitung in das Gußteil eingebracht werden, verlaufen jeweils vom Außenumfang 6 eines Kurbelwellen-Lagerzapfens 2 zum Außenumfang 7 eines Pleuel-Lagerzapfens 3 und dienen der Lagerschmierung. Alternativ könnten die Ölkanäle auch in Form eingegossener Rohre ausgebildet sein.
Die Kurbelwelle 1 ist in einem konventionellen Gießverfahren mit verlorener Form – und zwar hier vorteilhaft in einem Kernblock-Gießverfahren – hohlgegossen und weist, wie insbesondere durch eine Zusammenschau der 1, 2 und 3 zu erkennen ist, einen Hohlraum 8 auf, der sich über einen Pleuel-Lagerzapfen 3, eine Kurbelwange 4 und einen Kurbelwellen-Lagerzapfen 2 hinweg erstreckt. In dem Hohlraum 8 ist zur Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit, insbesondere der Torsions- und Biegesteifigkeit, der Kurbelwelle 1 ein durchgängiges Versteifungselement 9 vorgesehen, das von dem Pleuel-Lagerzapfen 3 (vgl. 1) über die daran angrenzende Kurbelwange 4 (vgl. 2) zu dem benachbaren Kurbelwellen-Lagerzapfen 2 (vgl. 3) durchgängig verläuft.
In dem Ausführungsbeispiel ist in dem Hohlraumbereich "Pleuel-Lagerzapfen – angrenzende Kurbelwange – benachbarter Kurbelwellen-Lagerzapfen" ein in Längsrichtung durchgängiges Versteifungselement 9 vorgesehen, das im wesentlichen mittig im Hohlraum 8 angeordnet ist. Das durchgängige Versteifungselement 9 ist hier vorteilhaft wandartig ausgebildet, d.h. es verläuft von einer Seite der Hohlraumwandung zur gegenüberliegenden Seite der Hohlraumwandung. Je nach Belastungsanforderungen könnten alternativ auch mehrere durchgängige Versteifungselemente 9 vorgesehen sein, wobei nicht immer ein mittig angeordnetes Versteifungselement erforderlich ist. Ferner könnten zur Stabilitätserhöhung zusätzlich zu mindes tens einem durchgängigen Versteifungselement 9 auch nicht-durchgängige Versteifungselemente vorgesehen sein. Quer zum Längsverlauf des Versteifungselementes 9 können in dem Versteifungselement gießtechnisch bedingte Öffnungen ausgebildet sein.
Dem durchgängigen, hier als Wand ausgebildeten Versteifungselement 9 kommt eine große Bedeutung für die Erhöhung der Torsions- und Biegesteifigkeit der Kurbelwelle 1 zu. Durch die Ausbildung und Anordnung des Versteifungselementes 9 wird beim Motorbetrieb ein gezielter Kraftfluß bewirkt, der von dem Pleuel-Lagerzapfen 3 die Belastungen, die aus den Zünddrücken des dem Zapfen zugeordneten Zylinders resultieren, über die angrenzende Kurbelwange 4 gezielt in Richtung auf den benachbarten Kurbelwellen-Lagerzapfen 2 abführt. Um von einem Pleuel-Lagerzapfen 3 einen möglichst gleichmäßigen Kraftfluß zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn sich der Hohlraum von dem Pleuel-Lagerzapfen 3 aus in beide Richtungen zu dem linken und rechten benachbarten Kurbelwellen-Lagerzapfen 2 erstreckt und das Versteifungelement 9 entsprechend von dem Pleuel-Lagerzapfen 3 aus durchgängig zu dem linken und rechten benachbarten Kurbelwellen-Lagerzapfen 2 verläuft.
Ferner ist insbesondere in 2 zu erkennen, daß eine gießtechnisch bedingte Öffnung (Kernöffnung) 10 in dem mechanisch weniger stark belasteten Konturenbereich des Massenausgleiches 4a vorgesehen ist, und die Kurbelwelle 1 eine ansonsten im wesentlichen geschlossene Außenkontur aufweist. Dadurch weist die erfindungsgemäße Kurbelwelle 1 eine hohe mechanische Stabilität auf, d.h. durch die Öffnung wird die Torsions- und Biegesteifigkeit der Kurbelwelle 1 nicht vermindert. Die Öffnung 10 ist dadurch bedingt, daß für die Hohlraumausbildung im konventionellen Gießverfahren Innenkerne benötigt werden, die in der Außenform über Kernstützen, Kernriegel oder dergleichen gelagert werden müssen. Außerdem wird die Kurbelwelle 1 über die Öffnungen 10 nach dem Gießen rückstandsfrei entkernt.
Die Öffnung 10 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel (2) vorzugsweise im unteren Bereich 11 des Massenausgleiches 4a ausgebildet. Diese Anordnung ist vorteilhaft, da hier die Gefahr gering ist, daß Öl in den Innenraum der Kurbelwelle gelangt, was zu Unwuchten führen kann. Ggf. eingedrungenes Öl wird infolge der rotationsbedingten Fliehkraft wieder aus dem Hohlraum 8 herausgeschleudert und kann sich nicht ansammeln. Die Kernöffnung 10 erstreckt sich hier im wesentlichen über die gesamte Breite des Massenausgleiches 4a. Alternativ könnte auch eine kleinere Kernöffnung oder mehrere kleine Kernöffnungen vorgesehen sein.
Um die Gefahr des Eindringens von Öl weiter zu verringern, sind in dem Ausführungsbeispiel weitere vorteilhafte Maßnahmen realisiert. Zum einen sind die vordere Wange 4aa und die hintere Wange 4ab des Massenausgleiches 4a unterschiedlich lang ausgebildet, so daß bei einer Rotation der Kurbelwelle entsprechend der Pfeilrichtung 12 ein Freiraum 13 (eine Art "Windschatten") am unteren Rand des Massenausgleiches 4a entsteht und Öl von der Kernöffnung 10 abgelenkt wird. Zum anderen sind die äußeren Ränder 14 des Massenausgleiches 4a verlängert und spitz zulaufend ausgebildet, so daß definierte Abrißkanten 15 entstehen (vgl. 2a). Anhaftendes Öl wird an den Abrißkanten 15 bei Rotation der Welle gezielt weggeschleudert, so daß es nicht in den Hohlraum 8 eindringen kann. Eine weitere vorteilhafte Maßnahme, das Eindringen von Öl zu verhindern, ist in 4 angedeutet. Hier sind mehrere Öffnungen 10 im unteren Bereich 11 des Massenausgleiches 4a vorgesehen, die derart gestaltet sind, daß das Eindringen von Öl erschwert ist, und zwar sind hier ölabwehrende Zusatzrippen 16 vorgesehen. Zahlreiche weitere vorteilhafte Maßnahmen zum Verringern der Öleindringgefahr sind möglich.
Die nicht abgebildeten Abschnitte der Kurbelwelle 1 sind vorzugsweise entsprechend dem vorstehend Beschriebenen ausgebildet.
Die Erfindung wurde in dem Ausführungsbeispiel exemplarisch für eine mögliche Art einer mit einem konventionellen Gießverfahren hohlgegossenen Kurbelwelle 1 beschrieben. Dabei handelt es sich jedoch nur um eine konkrete Möglichkeit, um für einen Motor die erforderliche Stabilität seiner Kurbelwelle 1 zu erhalten. Auch andere Variationen von Anzahl, Art, Ausbildung und Anordnung von Versteifungselementen 9 können zum gleichen Erfolg führen. Diese Faktoren lassen sich durch FE-Berechnungen ermitteln.
Eine erfindungsgemäße Kernblockform (Blockform) 17 zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle 1 im Kernblock-Gießverfahren ist in den 5 und 6 dargestellt. Dabei ist die in 5 dargestellte Sechszylinder-Kurbelwelle 1 rein exemplarisch zu verstehen. Zu erkennen ist, daß die Blockform 17 längs und quer geteilt ausgebildet ist. Und zwar sind durch Querteilung an den Schnittlinien A-A, B-B mehrere Kernblockeinheiten 18a, 18b, 18c (hier exemplarisch drei Stück) gebildet. Durch die Querteilung und Anordnungsfreiheit der Kernblockeinheiten 18 lassen sich beliebige Winkelstellungen der Pleuel-Lagerzapfen 3 realisieren. Die Kernblockeinheiten 18 sind wiederum jeweils längsgeteilt (entsprechend den Schnittlinien C-C in 5 bzw. D-D, E-E, F-F in 6). Durch die Längsteilung lassen sich in die Kernblockeinheiten 18 Innenkerne einbauen zur Ausbildung des Hohlraumes 8 und zur Ausge staltung des Versteifungselementes 9. Die Innenkerne sind in den Konturenbereichen der Massenausgleiche 4a in der Außenform gelagert.
Nach Montage der Innenkerne werden die Hälften der Kernblockeinheiten 18 jeweils zusammengefügt und die Kernblockeinheiten 18 in dem Ausführungsbeispiel etagenartig übereinander gestapelt, so daß eine Blockform 17 entsprechend 5 gebildet wird. Anschließend wird die Kurbelwelle 1 auf konventionellem Wege hier stehend gegossen. Die Kurbelwelle 1 wird aus der Blockform 17 entnommen, und das Kernmaterial der Innenkerne durch die Lagerungsöffnungen entfernt.
Die in 5 und 6 abgebildete Anzahl an Kernblockeinheiten 18 und die dargestellten Winkelstellungen der Pleuel-Lagerzapfen 3 bei der gezeigten Kurbelwelle 1 sind beispielhaft zu werten. Erfindungsgemäß werden mehrere Kernblockeinheiten (Etagenkerne) 18 in Längs- und Querteilung, je nach Ausführung der Konstruktion und Festlegung der Zündfolge, ausgeführt. Die erforderliche Stückzahl der Kernblockeinheiten 18 hängt also von der jeweiligen Konzeption der Kurbelwelle 1 bzw. des Motors ab und variiert daher von Kurbelwelle zu Kurbelwelle. Durch den Aufbau der Blockform 17 aus einer beliebigen zweckmäßigen Anzahl von Kernblockeinheiten 18 ist es möglich, Kurbelwellen 1 mit jeder gewünschten Winkelstellung der Pleuel-Lagerzapfen 3 zu erzeugen.

1: Kurbelwelle
2: Kurbelwellen-Lagerzapfen
3: Pleuel-Lagerzapfen
4: Kurbelwange
4a: Massenausgleich
4aa: vordere Wange von 4a
4ab: hindere Wange von 4a
6: Außenumfang von 2
7: Außenumfang von 3
8: Hohlraum
9: Versteifungselement
10: Öffnung, Kernöffnung
11: unterer Bereich von 4a
12: Pfeilrichtung
13: Freiraum
14: äußerer Rand von 4a
15: Abrißkante
16: Zusatzrippe
17: Blockform
18: Kernblockeinheiten (18a, 18b, 18c)
A-A: Querteilung von 17
B-B: Querteilung von 17
C-C: Längsteilung von 18 (allgemein)
D-D: Längsteilung von 18a
E-E: Längsteilung von 18b
F-F: Längsteilung von 18c

Claims

Gegossene hohle Kurbelwelle mit Kurbelwellen-Lagerzapfen (2), Pleuel-Lagerzapfen (3), Kurbelwangen (4), Massenausgleichen (4a), Ölkanälen (5), die jeweils vom Außenumfang (6) eines Kurbelwellen-Lagerzapfens (2) zum Außenumfang (7) eines Pleuel-Lagerzapfens (3) verlaufen und der Lagerschmierung dienen, und einem Hohlraum (8), der sich über einen Kurbelwellen-Lagerzapfen (2), eine Kurbelwange (4) und einen Pleuel-Lagerzapfen (3) erstreckt, wobei die Kurbelwelle (1) in einem konventionellen Gießverfahren mit verlorener Form, bei welchem feste Gießkerne in einer festen Außenform gelagert sind, hohlgegossen ist, wobei in dem Hohlraum (8) zur Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit, insbesondere der Torsions- und Biegesteifigkeit, der Kurbelwelle (1) ein durchgängiges Versteifungselement (9) vorgesehen ist, das von einem Pleuel-Lagerzapfen (3) über eine daran angrenzende Kurbelwange (4) zu einem benachbarten Kurbelwellen-Lagerzapfen (2) durchgängig verläuft, wobei gießtechnisch bedingte Öffnungen (10) in den mechanisch weniger stark belasteten Konturenbereichen der Massenausgleiche (4a) vorgesehen sind, und die Kurbelwelle (1) eine ansonsten im wesentlichen geschlossene Außenkontur aufweist.
Gegossene hohle Kurbelwelle nach Anspruch 1, wobei die Kurbelwelle (1) im Masken-Gießverfahren gegossen ist.
Gegossene hohle Kurbelwelle nach Anspruch 1, wobei die Kurbelwelle (1) im Kernblock-Gießverfahren gegossen ist.
Gegossene hohle Kurbelwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Öffnungen (10) im unteren Bereich (11) der Massenausgleiche (4a) ausgebildet sind.
Gegossene hohle Kurbelwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Öffnungen (10) derart gestaltet sind, daß der Eintritt von Öl in den Hohlraum (8) erschwert ist.
Gegossene hohle Kurbelwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die äußeren Ränder (14) der Massenausgleiche (4a) in Form von Abrißkanten (15) realisiert sind.
Gegossene hohle Kurbelwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Hohlraum (8) mehrere Versteifungselemente vorgesehen sind.
Gegossene hohle Kurbelwelle nach Anspruch 7, wobei die Versteifungselemente in Form einer Rippe, eines Steges, einer Strebe, einer Wand oder dergleichen ausgebildet sind.
Gegossene hohle Kurbelwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ölkanäle in Form von bei der Kurbelwellenherstellung eingegossenen Röhrchen ausgebildet sind.
Gegossene hohle Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Ölkanäle in einem Versteifungselement (9) verlaufen und nachträglich in die gegossene Kurbelwelle (1) eingebracht sind.
Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen, in einem konventionellen Gießverfahren mit verlorener Form hohlgegossenen Kurbelwelle (1) mit durchgängigem Versteifungselement (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für das Gießen der Kurbelwelle (1) im Kernblock-Gießverfahren in Kernblockeinheiten (18), die durch eine Teilung der Form quer zur Kurbelwellenlängserstreckung gebildet worden sind und die wiederum jeweils längs zur Kurbelwellenlängserstreckung geteilt worden sind, Innenkerne zur Hohlraumformgebung und zur Ausbildung des Versteifungselementes (9), das von einem Pleuel-Lagerzapfen (3) über eine daran angrenzende Kurbelwange (4) zu einem benachbarten Kurbelwellen-Lagerzapfen (2) durchgängig verläuft, eingebaut werden, wobei die Innenkerne über Kernriegel oder dergleichen in Bereichen der späteren Kurbelwelle gelagert werden, die bei Motorbetrieb weniger stark mechanisch belastet werden – vorzugsweise in den Konturenbereichen der Massenausgleiche (4a) –, die Kernblockeinheiten (18) zur kompletten Blockform (17) zusammengesetzt werden und die Kurbelwelle (1) anschließend gegossen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß für die späteren Ölkanäle in die Innenkerne an entsprechenden Stellen Röhrchen einmontiert bzw. eingeschossen werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölkanäle in die gegossene Kurbelwelle (1) durch mechanische, spanabhebende Bearbeitung eingebracht, vorzugsweise gebohrt, werden.
Blockform zur Herstellung einer erfindungsgemäßen, im Kernblock-Gießverfahren hohlgegossenen Kurbelwelle (1) mit durchgängigem Versteifungselement (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Blockform (17) quer zur Kurbelwellenlängserstreckung in mehrere Kernblockeinheiten (18) untergliedert ausgebildet ist, daß die Kernblockeinheiten (18) wiederum jeweils längs zur Kurbelwellenlängserstreckung geteilt ausgebildet sind, daß entsprechende Innenkerne zur Hohlraumformgebung und zur Ausbildung des Versteifungselementes (9) in die Kernblockeinheiten (18) eingebaut sind, wobei die Kernlagerung in den Konturenbereichen der Massenausgleiche (4a) erfolgt.