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Die
Erfindung betrifft eine Kurbelwelle für eine Brennkraftmaschine nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Kurbelwellen
für Brennkraftmaschinen
sind mit einer Vielzahl von Grundlagerzapfen und Hubzapfen versehen,
zwischen denen Haupt- bzw. Zwischenwangen angeordnet sind. Aufgrund
von Torsions- und Biegekräften,
die im Betrieb auf die Kurbelwelle wirken, sind Bereiche der Grundlager-
und Hubzapfen hohen lokalen Belastungen ausgesetzt. Diese Zonen
besonders hoher Belastung befinden sich typischerweise in den Randbereichen
der Zapfen, d.h. in Übergangsbereichen
zu den Haupt- bzw. Zwischenwangen, und überspannen im Regelfall ein Achtel
bis zu einem Drittel des Umfangs des betreffenden Zapfens.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kurbelwelle in einer solchen
Weise zu gestalten, dass die lokalen Belastungen der Grundlager-
und Hubzapfen reduziert werden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Danach
werden ausgewählte
Wangen der Kurbelwelle mit lokal begrenzten Aussparungen versehen.
Die geometrische Gestaltung der Aussparungen und ihre Position auf
den Wangen sind in einer solchen Weise gewählt, dass eine Reduktion (bzw. im
Opti malfall eine Minimierung) der lokalen Belastungen der Grundlager-
und Hubzapfen der Kurbelwelle erreicht wird.
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Beispielsweise
kann die Aussparung in einer solchen Weise dimensioniert und auf
der Wange positioniert werden, dass das im Lastfall auftretende Spannungsprofil
des benachbarten Zapfens über
seinen Umfang hinweg möglichst
gleichförmig
ist. Auf diese Weise werden Spannungsspitzen abgebaut und gleichmäßig auf
den Umfang verteilt.
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Vorteilhafterweise
werden Aussparungen nicht nur auf einer, sondern auf mehreren (bzw.
allen) Wangen vorgesehen. Die Aussparungen der Wangen werden so
dimensioniert, dass eine Minimierung der Spannungsspitzen über die
Gesamtheit der Grundlagerzapfen und Hubzapfen hinweg erreicht wird.
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Die
Dimensionierung der Aussparungen erfolgt vorzugsweise mit Hilfe
einer Rechnersimulation, bei der die Spannungszustände der
Kurbelwelle unter unterschiedlichen Torsions- und Biegebelastungen
berechnet werden. Durch eine iterative Veränderung der Form und Lage der
Aussparungen auf den Wangen und eine anschließende Berechnung der in dieser
Gestaltung in den Zapfen wirkenden Spannungen kann eine optimale
Gestaltung der Aussparungen über
die Welle hinweg berechnet werden. Das Ergebnis dieser Optimierungsprozesses
kann eine Kurbelwelle sein, bei dem jede individuelle Wange mit
unterschiedlichen Aussparungen versehen ist. Die Größe und Tiefe
der Aussparung sowie die genaue Lage der Aussparung auf jeder Wange
richtet sich nach dem Belastungsgrad des benachbarten Zapfens; dieser
wiederum hängt
ab von der Position des Zapfens innerhalb der Kurbelwelle.
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Neben
der oben beschriebenen Reduktion von Spannungen in den Grundlager-
und Hubzapfen haben die Aussparungen den zusätz lichen Vorteil, dass sie
das Gewicht der Kurbelwelle reduzieren. Weiterhin können sie
zum Massenausgleich beitragen.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer in den Zeichnungen
dargestellter Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 Eine
perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer Kurbelwelle gemäß dem Stand
der Technik;
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2a eine
Detaildarstellung des Kurbelwellenausschnitts der 1 (Stand
der Technik);
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2b ein
Spannungsdiagramm entlang der Umfangslinie IIb-IIb in 2a;
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3a den
Kurbelwellenausschnitt der 2a mit
erfindungsgemäßen Aussparungen;
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3b ein
Spannungsdiagramm entlang der Umfangslinie IIIb-IIIb in 3a;
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4 eine
Schnittdarstellung durch den Kurbelwellenausschnitt der 3a.
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer herkömmlichen
Kurbelwelle 1 für
einen V6-Motor mit einem Bankwinkel von 72°. Der in 1 gezeigte
Ausschnitt umfasst zwei Grundlagerzapfen 2 sowie zwei Hubzapfen 3, 4;
zwischen einem Grundlagerzapfen 2 und einem Hubzapfen 3, 4 ist
jeweils eine Hauptwange 5 angeordnet, während zwischen zwei benachbarten
Hubzapfen 3, 4 eine Zwischenwange 6 angeordnet
ist.
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In 1 sind
gestrichelt Belastungsbereiche 7, 8 angedeutet,
welche im Betrieb der Kurbelwelle 1 unter besonders hohen
Spannungen stehen. Diese Spannungen entstehen durch Biege- und Torsionskräfte, die
durch die an den Hubzapfen 3, 4 angreifenden (in 1 nicht
gezeigten) Pleuel in die Kurbelwelle 1 eingeleitet werden.
Um zu vermeiden, dass diese Spannungen zu einem Materialversagen und – im schlimmsten
Fall – einem
Bruch der Kurbelwelle 1 führen, wird die Kurbelwelle 1 herkömmlicherweise überdimensioniert,
was mit zusätzlichem
Gewicht und/oder zusätzlichem
Bearbeitungs- und Prüfungsaufwand
einhergeht.
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Wie
die Detaildarstellung der 2a zeigt, sind
die Belastungsbereiche 7, 8 der Kurbelwelle 1 lokal
begrenzt; sie überspannen
einen Azimutwinkelbereich 9, der typischerweise zwischen
20° und
90° liegt,
und befinden sich in einem einer Haupt- oder Zwischenwange 5, 6 direkt
benachbarten Übergangsbereich 10, 11.
Zur Illustration der Spannungen, die auf den Hubzapfen 4 im
Belastungsbereich 8 unter Gaskraft (d.h. unter Biegungsbelastung)
wirken, zeigt 2b einen Spannungsverlauf 12 entlang
des Umfangs des Hubzapfens 4 (Linie IIb-IIb in 2a)
als Funktion des Azimutwinkels 14. Wie aus dem Spannungsverlauf 12 der 2b ersichtlich
ist, steigt entlang der Linie IIb-IIb die Spannung im Hubkolben 4 – beginnend
von einem Basiswert 15 (von etwa 150 N/mm2) – mit wachsendem
Azimutwinkel 9 an auf einen Maximalwert 16 (von > 500 N/mm2)
und fällt
dann wieder ab auf einen Basiswert 17 von etwa 150 N/mm2.
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Zur
Reduktion der lokalen Spannungen im Belastungsbereich 8 wird
erfindungsgemäß die dem Hubzapfen 4 benachbarte
Wange 6 mit einer Aussparung 18 versehen. Die
Aussparung 18 wird dabei in diejenige Wange 6 eingebracht,
die dem Belastungsbereich 8 am nächsten liegt, im vorliegenden Fall
also die Zwischenwange 6. Die Aussparung 18 wird
so positioniert, dass sie in Azimutalrichtung 14 mit dem
Belastungsbereich 8 überlappt
und einen Azimutwinkelbereich 21 überspannt, der an den Azimutwinkelbereich 9 des
Belastungsbereichs 8 angepasst ist. Die Aussparung 18 wird
vorzugsweise in einem Grundbereich 24 auf der Wange 6 angeordnet, der
dem Übergangsbereich 11 des Zapfens 4 (und somit
dem Belastungsbereich 8) unmittelbar benachbart ist. Die
Parameter der Aussparung 18 (räumliche Lage auf der Wange 6, überstrichener
Azimutwinkelbereich 21, Breite 19, Tiefe 20)
sind dabei in einer solchen Weise auf die Lage und den Spannungsverlauf 12 des
Belastungsbereichs 8 angepasst, dass die Spannungsspitzen 16 im
Belastungsbereich 8 reduziert werden. 3a zeigt
die Kurbelwelle 1 der 2a, die
mit einer solchen Aussparung 18 versehen ist; die Aussparung 18 überspannt
hier einen Azimutwinkelbereich 21 von etwa 60°, was in
etwa dem Azimutwinkelbereich 9 des Belastungsbereichs 8 entspricht.
Ganz allgemein kann die Aussparung 18 jedoch auch einen
kleineren oder größeren Winkelbereich 21 überspannen.
Wird die in 3a gezeigte, mit der Aussparung 18 versehene
Kurbelwelle 1' derselben
Biegebelastung unterworfen wie die in 2b gezeigte
Kurbelwelle 1, so entsteht unter Last im Belastungsbereich 8' der in 3b gezeigte Spannungsverlauf 22,
das wesentlich geringere Maximalspannungen 23 aufweist
als der Spannungsverlauf 12, der der Kurbelwelle 1 der 2a (d.h.
ohne Aussparungen in der Zwischenwange 6) entspricht. Aus
dem Vergleich der beiden Spannungsverläufe 12, 22 ist
somit ersichtlich, dass die Aussparung 18 in der dem Belastungsbereich 8 benachbarten
Wange 6 eine erhebliche Reduktion der Spannungen erreicht
werden kann, denen der Hubzapfen 4 im Lastfall ausgesetzt
ist. Insbesondere ist die in diesem Fall erreichte Maximalspannung 23 wesentlich
geringer als die Maximalspannung 16, die im Belastungsbereich 8' der aussparungsfreien
Kurbelwelle 1 auftritt.
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Im
Regelfall weist ein Hubzapfen 4 mehrere Belastungsbereiche 7, 8 (d.h.
mehrere Bereiche mit Spannungsüberhöhungen im
Lastfall) auf, die sich in Übergangsbereichen 10, 11 zu
den benachbarten Wangen 5, 6 befinden und in unterschiedlichen
Azimutwinkelbereichen 9 auftreten können. Um diese (weiteren) Spannungsüberhöhungen zu
reduzieren, werden in den diesen Be lastungsbereichen 7, 8 benachbarten
Grundbereichen 24 der Wangen 5, 6 weitere
Aussparungen vorgesehen, deren Maße (Höhe, Breite, geometrische Gestalt
etc.) der jeweiligen Spannungsüberhöhung angepasst
ist.
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2 und 3 zeigen
beispielhaft, wie die unter Betriebslast auftretenden Spannungen
eines ausgewählten
Hubzapfens 4 durch eine in die benachbarte Wange 6 eingebrachte
Aussparung 18 reduziert werden können. Bei einer Gesamtbetrachtung der
Kurbelwelle 1' zeigt
sich, dass Aussparungen 18 in einer ausgewählten Wange 6 Auswirkungen
auf den Spannungsverlauf in anderen Teilen der Kurbelwelle 1' haben können. Um
die Spannungen in Belastungsbereichen entlang der gesamten Kurbelwelle 1' zu reduzieren,
ist daher eine lokale (d.h. auf einen ausgewählten Zapfen 4 konzentrierte)
Optimierung der Aussparungen 18 nicht ausreichend; vielmehr muss
eine gleichzeitige Optimierung aller Zapfenbereiche 2, 3, 4 der
Welle 1' durch
eine geeignete Auswahl und Positionierung von Aussparungen 18 auf den
diversen Haupt- und Zwischenwangen 5, 6 erreicht
werden. Die „globale" Optimierung der
gesamten Kurbelwelle 1' hat – im Unterschied
zu einer „lokalen" Optimierung eines
ausgewählten
Grundlager- oder Hubzapfens – den
Vorteil, dass negative Wechselwirkungen zwischen den Aussparungen 18 in
unterschiedlichen Bereichen der Welle 1' vermieden werden.
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Eine
solche Art der Optimierung erfolgt zweckmäßigerweise im Rahmen einer
Computersimulation. Ausgehend von einem CAD-Modell der Kurbelwelle 1 wird
in einem ersten Schritt das Spannungsprofil der Kurbelwelle 1 unter
typischen Lastzuständen
(Biegung, Torsion) simuliert. Dabei werden diejenigen Bereiche auf
den Grundlager- und Hubzapfen 2, 3, 4 ermittelt,
in denen besonders hohe Spannungen auftreten (Belastungsbereiche 7, 8,
siehe 2a). In einem ersten Optimierungsschritt
werden in ausgewählten,
den Belastungsbereichen 7, 8 der Zap fen 2, 3, 4 benachbarten,
Grundbereichen 24 auf den Wangen 5, 6 entlastende
Aussparungen 18 vorgesehen. Diese Aussparungen 18 des
ersten Optimierungsschritts haben eine (im Prinzip) willkürliche Gestalt;
jede einzelne Aussparung 18 ist vorteilhafterweise an die
benachbarten Belastungsbereiche 7, 8 angepasst,
so dass die Aussparung 18 umso größer (in bezug auf Tiefe 20,
Breite 19, Azimutwinkelbereich 21) ist, je höher die
Maximalspannung 16 des benachbarten Belastungsbereichs 7, 8 ist.
Dann wird das Spannungsprofil der so modifizierten Kurbelwelle 1' unter typischen
Lastzuständen
(Biegung, Torsion) berechnet; insbesondere werden die dabei auftretenden
Spannungsverläufe 22 in
den Belastungsbereichen 7, 8 ermittelt. In Abhängigkeit
dieser neue berechneten Spannungsverläufe 22 werden in einem zweiten
Optimierungsschritt die Aussparungen 18 vergrößert, verkleinert
bzw. in ihrer Form angepasst; evtl. werden einige der Aussparungen
weggelassen oder weitere Aussparungen hinzugefügt; anschließend werden
die Spannungsverläufe
in der auf diese Weise modifizierten Kurbelwelle berechnet. Diese Optimierungsschritte
werden so lange fortgeführt,
bis die Maximalspannungen 16, 23 aller Zapfen 2, 3, 4 entlang
der ganzen Kurbelwelle 1 im Lastfall unter einem vorgegebenen
Wert liegen. Auf diese Weise werden lokale Aussparungen 18 in
die Wangen 5, 6 eingebracht, deren geometrische
Gestalt nicht nur gezielt auf die Spannungszustände des jeweils benachbarten
Zapfens 2, 3, 4, sondern global auf eine Spannungsreduktion
der gesamten Kurbelwelle 1' hin
optimiert ist. Es zeigt sich dabei, dass die Aussparungen 18,
die sich positiv in bezug auf Biegebelastungen der Kurbelwelle 1 auswirken,
auch zu einer Spannungsreduktion der Kurbelwelle 1 unter
Torsionsbelastung führen.
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4 zeigt
die Kurbelwelle 1' der 3a in einer
Schnittansicht; in dieser Schnittansicht sind mehrere Aussparungen 18, 18' gezeigt, die
sich in Grundbereichen 24, 24' der Zwischenwange 6 befinden.
Neben diesen Aussparungen 18, 18' in der Zwischenwange 6 können auch
Aussparungen in den Hauptwangen 5 vorgesehen sein. Wie
aus 4 ersichtlich, haben die Aussparungen 18, 18' unterschiedliche
Breiten 19, 19' und
unterschiedliche Tiefenprofile 20, 20'. Die Tiefe 20, 20' der Aussparungen 18, 18' kann bis zu
90% der Wangenbreite 25 betragen. In Bereichen, in denen
die Aussparung 18 einer Wangenseite 26 axial mit
einem der anderen Wangenseite 27 benachbarten Zapfen 3 überlappt,
kann die Tiefe 20 der Aussparung 18 sogar größer als
die Wangenbreite 25 gewählt
werden.
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Zwar
wurde die Erfindung in den Zeichnungen anhand einer Kurbelwelle 1' für V-Motoren
beschrieben, sie ist jedoch gleichfalls auf Kurbelwellen für Reihenmotoren
anwendbar.