-
Die
Erfindung betrifft eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine mit
den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.
-
Aus
der
DE 199 42 105
A1 ist eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine bekannt,
bei der die Ölversorgung
der Hubzapfen über
eine schräge
Bohrung vom Grundlager zum Hubzapfen erfolgt. Um eine dauerhafte Ölversorgung über 360° Kurbelwinkel
zu erreichen, ist der Grundlagerzapfen mit einer durchgehenden Bohrung
versehen, die mit der Ölversorgungsbohrung
zum Hubzapfen in Strömungsverbindung
steht. Schmieröl,
das von einer Einspeisestelle in der Grundlagerschale über die
Bohrungen in der Kurbelwelle zu der Schmierstelle im Hubzapfen zur
Pleuellagerschmierung strömt,
kreuzt ein- oder zweimal die Kurbelwellendrehachse, je nach Stellung der
Kurbelwelle. Je größer der
Abstand zur Kurbelwellendrehachse ist, desto größer sind die Fliehkräfte aufgrund
der Drehbewegung der Kurbelwelle. Bei einer Ölversorgung, die zweimal die
fliehkraftfreie Drehachse kreuzt, ist bei höheren Drehzahlen keine zuverlässige Ölversorgung
gewährleistet.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, eine
zuverlässige Ölversorgung
der Pleuellager einer Brennkraftmaschine für alle Drehzahlbereiche zur Verfügung zu
stellen.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine Kurbelwelle für eine Brennkraftmaschine mit
den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Kurbelwelle
für eine
Brennkraftmaschine ist mit einer Vielzahl von Grundlagerzapfen,
Hubzapfen und Kurbelwangen ausgestattet, wobei die Kurbelwangen
benachbarte Grundlagerzapfen und Hubzapfen verbinden. Weiterhin
weist die Kurbelwelle Kanäle
von den Grundlagerzapfen zu den Hubzapfen auf. Diese Kanäle dienen
zur Versorgung der Hubzapfen mit Schmieröl. Ein erster Kanal verläuft von
einer Lagerfläche
des Grundlagerzapfens schräg
zu einer Kurbelwellendrehachse in Richtung der Kurbelwellendrehachse.
Ein zweiter Kanal verläuft
von einer Lagerfläche
des Hubzapfens ausgehend, schräg
zu einer Mittenachse des Hubzapfens in Richtung des ersten Kanals.
Diese beiden Kanäle
schneiden sich strömungsverbindend,
wobei der erste Kanal vom Hubzapfen aus betrachtet diesseits der
Kurbelwellendrehachse des Grundlagerzapfens angeordnet ist.
-
Pleuellager
am Hubzapfen werden durch Schmierölversorgungsbohrungen von den
Grundlagern versorgt. Bei mäßig belasteten
Grundlagern strömt
das Schmiermittel vom Lagerstuhl über eine Bohrung im Grundlager
in eine um 360° umlaufende Nut
im Grundlager und von dort in einen gebohrten Kanal zum Hubzapfen.
Dieser Kanal ist als eine schräge
Bohrung vom Hubzapfen durch die Kurbelwange zum Grundlagerzapfen
ausgeführt.
Bei einer Leistungs- und damit Spitzendrucksteigerung wird die untere
Lagerschale, d.h. die Lagerschale im Grundlagerdeckel, so hoch belastet,
dass auf eine Ölversorgungsnut
in der Lagerschale zu Gunsten einer größeren tragenden Lagerbreite
verzichtet werden muss und somit eine Ölversorgung zum Hubzapfen nur über 180° Kurbelwinkel
zur Verfügung
steht.
-
Bei
Brennkraftmaschinen mit großen
Zapfendurchmessern entsteht neben den rein zur Schmierung notwendigen Ölmassenströmen zunehmend
wegen der großen
Relativgeschwindigkeiten zwischen Kurbelwelle und Lager und den
gesteigerten Spitzendrücken
ein Bedarf an Ölmassenstrom zur
Kühlung
des Pleuellagers im Hubzapfen. Dieser Massenstrom kann mit einer
180° Versorgung
nicht mehr sichergestellt werden. Als Abhilfe sind Durchgangsbohrungen
durch die Kurbelwelle bekannt, die die eigentliche Ölversorgungsbohrung
zum Pleuellager schneidet. Geometrisch ist damit wieder eine 360° Ölversorgung
möglich.
Ganz wesentlich für
den Öltransport
ist jedoch nicht die reine geometrische Verbindung sondern die Drucksituation
an allen Öffnungen
dieses Pleuellagerversorgungssystems.
-
Die
rotierende Welle baut in den Bohrungen ein rotationssymmetrisches
Gravitationsfeld auf, das zunächst
alles Öl
was sich in diesem System befindet nach außen fördert, ungeachtet von der eigentlichen Zielsetzung
eines gerichteten Transports von Öl vom Grundlager zum Pleuellager.
Speziell am eigentlichen Öleintritt
im Grundlager wird das Öl
entsprechend der Fliehkräfte
nach außen
aus der Ölversorgungsbohrung
herausgepresst und Öl
kann nur gefördert
werden, wenn genügend
statischer Druck gegen die Fliehkraft herrscht. Durch das nach außen fließende Öl entsteht
in der Mitte des Grundlagerzapfens, im Bereich der Kurbelwellendrehachse
ein Unterdruck im Öl,
der zu schädlicher
Kavitation und Verschäumung
des Öls
führen
kann.
-
Aus
dieser Überlegung
und der Intention, eine zuverlässige Ölversorgung
bei hohen Drehzahlen bereitzustellen, ergibt sich die Lösung, den
Verlauf der Kanäle
zu Schmierölversorgung
der Hubzapfen nicht durch die Kurbelwellendrehachse zu führen. Des
weiteren ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Radius des Grundlagerzapfens
am Öleintritt
und dem kleinsten Abstand der Ölkanäle zur Kurbewellendrehachse
nur eine möglichst
kleine Differenz besteht. Auf diese Weise ist der Druck gering,
der auf Grund der Fliehkraft im Öl
herrscht und den der Druck der Ölversorgung überwinden
muss.
-
Erfindungsgemäß wird die Ölversorgungsbohrung
vom Grundlagerzapfen zum Hubzapfen durch zwei Kanäle gebildet,
die jeweils von einem Zapfen ausgehen und sich strömungsverbindend schneiden.
Der erste Kanal, der Schmieröl
vom Lagerbereich des Grundlagerzapfens zum zweiten Kanal leitet,
verläuft
schräg
und schneidet sich mit dem zweiten Kanal, der das Schmieröl zum Hubzapfen
leitet, in einem Bereich, der zwischen Kurbelwellendrehachse und
Hubzapfen liegt. Je kleiner der Winkel zwischen dem ersten Kanal
und der Kurbelwellendrehachse ist, desto geringer ist die Eindringtiefe
des Kanals in Richtung Kurbelwellendrehachse und desto geringer
ist die Druckdifferenz, die überwunden werden
muss.
-
In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Schnittpunkt der beiden
Kanäle
vom Hubzapfen aus betrachtet diesseits der Kurbelwellendrehachse
angeordnet. Wenn der Schnittpunkt der beiden Kanäle beziehungsweise der Kanalmitten
einen großen
Abstand zur Kurbelwellendrehachse besitzt und der erste Kanal vom
Hubzapfen aus betrachtet diesseits der Kurbelwellendrehachse angeordnet
ist, werden auf Grund der Fliehkraft auf das Schmieröl in den
Kanälen
nur geringe Druckdifferenzen erzeugt, die von der Schmierölversorgung überwunden
werden können.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Austritte der
Kanäle
am Grundlagerzapfen und am Hubzapfen ungefähr in der Mitte der Breite
der jeweiligen Zapfen angeordnet. Ein Kanalaustritt in einer Gleitlagerfläche bedeutet
eine Schwächung
des entsprechenden Zapfens und eine Verschlechterung der Schmierung
im Schmierfilm zwischen dem Grundlagerzapfen und der Lagerschale
im Grundlager beziehungsweise dem Hubzapfen und der Lagerschale
im Pleuel. Um eine unsymmetrische Belastung und Schmierölverteilung
zu vermeiden, werden die Austritte der Kanäle in Kurbelwellenlängsrichtung
mittig an den entsprechenden Zapfen angeordnet.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Kanäle in der
durch die Kurbelwellendrehachse und eine Mittenachse des Hubzapfens aufgespannten
Ebene angeordnet. Bei einer derartigen Anordnung der Kanäle sind
nicht nur kurze Kanäle,
sondern auch minimale Druckdifferenzen im ersten Kanal aufgrund
geringer Differenzen im Abstand zur Kurbelwellendrehachse gegeben.
Weiterhin ist die Herstellung zweier Bohrungen, die in einer Bearbeitungsebene
liegen, kostengünstig
zu leisten.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung schneidet zumindest ein
Kanal die durch die Kurbelwellendrehachse und die Mittenachse des Hubzapfens
aufgespannte Ebene. Wenn beispielsweise der Hubzapfen zur Gewichtserleichterung ganz
oder teilweise hohl ausgeführt
ist, ist es unter Umständen
nicht möglich,
den zweiten Kanal in einer Ebene anzuordnen, die durch die Kurbelwellendrehachse
und die Mittenachse des Hubzapfens aufgespannt ist. Der erste Kanal,
der hauptsächlich
im Grundlagerzapfen angeordnet ist, ist vorteilhafterweise trotzdem
in der Ebene angeordnet, die durch die Kurbelwellendrehachse und
die Mittenachse des Hubzapfens aufgespannt ist.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Abstand vom Schnittpunkt
der beiden Kanäle
zur Kurbelwellendrehachse mindestens so groß wie der halbe Radius des
Grundlagerzapfens. Bei einem derartigen Verhältnis der Abstände zur Kurbelwellendrehachse
herrscht nur eine relativ geringe Druckdifferenz zwischen dem Schmieröleintritt am
Hubzapfenumfang und dem geringsten Abstand des ersten Kanals zur
Kurbelwellendrehachse im Bereich der Schnittpunktes mit dem zweiten
Kanal. Im zweiten Kanal sind die Druckverhältnisse aufgrund der Fliehkraft
ohnehin von Vorteil für
einen Ölstrom
in Richtung zum Hubzapfen.
-
Weitere
Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung
sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
-
Dabei
zeigen:
-
1 einen
Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Kurbelwelle und
-
2 einen
Längsschnitt
durch die Kurbelwelle gemäß 1.
-
In 1 ist
schematisch ein Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Kurbelwelle 1 mit
einem Grundlagerzapfen 2, einem Hubzapfen 3 und
einer Kurbelwange 4 gezeigt. Der Querschnitt ist durch die
Kurbelwange 4 entlang der Linie I-I in 2 gelegt.
Um den Grundlagerzapfen 2 ist eine Lagerschale 5 mit
einer Öleintrittsbohrung 6 angeordnet.
Zwei Kanäle 7, 8 schneiden
sich am Schnittpunkt 9.
-
In 2 ist
die erfindungsgemäße Kurbelwelle 1 in
einem Längsschnitt
durch die Kurbelwellendrehachse 10 und die Mittenachse 11 des
Hubzapfens 3 gezeigt. Der Grundlagerzapfen 2 der
Kurbelwelle ist über
die Lagerschale 5 in einem Lagerstuhl 12 eines
nicht näher
gezeigten Kurbelgehäuses gelagert.
Der Grundlagerzapfen 2 kann sich um die Kurbelwellendrehachse 10 drehen.
Im Lagerstuhl 12 ist eine Ölzuführbohrung 13 angeordnet, über die Schmieröl durch
die Öleintrittsbohrung 6 in
den Schmierspalt zwischen der Lagerschale 5 und dem Grundlagerzapfen 2 geleitet
wird. Ein Teilstrom dieses Schmieröl dient der Schmierung des
Grundlagers, ein weiterer Teilstrom wird durch einen ersten Kanal 7 und
einen zweiten Kanal 8 zum Hubzapfen 3 geleitet,
um dort die Pleuellager zu schmieren. Der Grundlagerzapfen 2 und
der Hubzapfen 3 sind über die
Kurbelwange 4 miteinander verbunden. Der erste Kanal 7 und
der zweite Kanal 8 treffen am Schnittpunkt 9 aufeinander
und stellen eine Strömungsverbindung
her. Der erste Kanal 7 verläuft mit einem relativ kleinen
Winkel von weniger als ca. 45° zu
der Kurbelwellendrehachse 10, um auf diese Weise den Schnittpunkt 9 mit
einem großen
Abstand zur Kurbelwellendrehachse anzuordnen. Der Abstand des Schnittpunktes 9 zur
Kurbelwellendrehachse 10 entspricht erfindungsgemäß ungefähr dem halben
Radius des Grundlagerzapfens 2. Um einen noch größeren Abstand
des Schnittpunktes 9 zur Kurbelwellendrehachse 10 zu
erreichen, muss der Winkel zwischen dem ersten Kanal 7 und
der Kurbelwellendrehachse verkleinert werden, was jedoch zu Schwierigkeiten
beim Herstellen, d.h. Bohren schräg zur Oberfläche des
ersten Kanals 7 und zu einer zu großen Eintrittsöffnung des
ersten Kanals an der Oberfläche des
Grundlagerzapfens 2 führen
kann.
-
Der
Vorteil der Erfindung liegt darin, dass sich zwischen dem Öleintritt
am Grundlagerzapfen 2 und der Stelle mit dem geringsten
Abstand zur Kurbelwellendrehachse 10, nämlich dem Schnittpunkt 9 zwischen
den beiden Kanälen 7, 8,
nur eine kleine radiale Erstreckung ergibt. Diese kleine radiale
Erstreckung, die der Differenz der Abstände zur Kurbelwellendrehachse 10 entspricht,
bewirkt nur eine geringe fliehkraftbedingte Druckerhöhung im
ersten Kanal 7 entgegen der Strömungsrichtung des Schmieröls. Damit
ist die Schmierölversorgung
zum Pleuellager am Hubzapfen 3 nicht gefährdet und
es besteht nicht die Gefahr eines Lagerschadens im Pleuellager.
Ein weiterer Vorteil ist, dass bei einer Anordnung der Kanäle 7, 8 entsprechend
der 2 eine Ölversorgung des
Pleuellagers am Hubzapfen 3 bei der Stellung der Kurbelwelle 1 stattfindet,
bei der das Pleuellager durch die Zündkraft am höchsten beansprucht
ist. Dies ist dann der Fall, wenn der nicht gezeigte Kolben sich
im Bereich des oberen Totpunktes bewegt, d.h. der Hubzapfen 3 entsprechend
der Stellung in 2 gedreht ist.
-
Bei
einer gegossenen Kurbelwelle ist es möglich, die Kanäle 7, 8 vorzugießen, beziehungsweise
entsprechend gebogene Röhrchen
einzugießen.