DE102006009152A1

DE102006009152A1 - Gebaute Kurbelwelle, insbesondere für mittelschnell laufende Viertakt-Dieselmotoren

Info

Publication number: DE102006009152A1
Application number: DE102006009152A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Bierl; Robert Stocker; Niels Lange
Original assignee: MAN Diesel SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2006-02-24
Filing date: 2006-02-24
Publication date: 2007-09-06
Also published as: CN101025185B; CN101025185A; FI20070152A; KR101249086B1; KR20070088348A; FI20070152A0; JP5280636B2; JP2007225110A; FI122867B

Abstract

Um einen Aufbau für eine gebaute Kurbelwelle mit insbesondere für mittelschnell laufende Viertakt-Dieselmotoren typischen Hubradien zu schaffen, der eine einfache, kostengünstige Herstellung mit beliebiger Länge für eine bestimmte Anzahl von Hubkolben ermöglicht, mit einem Verhältnis des Kolbenhubs s zur Summe der addierten Durchmesser von Grund- und Pleuellagerzapfen < 1, ist vorgesehen, dass die Einzelelemente 1, 2, 3 nach dem Baukastenprinzip reibschlüssig oder formschlüssig oder reib- und formschlüssig verbunden sind, derart, dass sich die Querschnitte der Grundlager- 2 und Kubellagerzapfen 1 in radialer Richtung der Kurbelwelle 8 überlappen können, so dass der Kurbelradius kleiner oder gleich der Summe der addierten Radien eines Grundlager- und eines Pleuellagerzapfens sein kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine gebaute Kurbelwelle gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Grundsätzlich besteht eine Kurbelwelle aus den Kröpfungen, mit den in Grundlagern laufenden Wellenzapfen, dem Kurbel(Hub-)zapfen, den verbindenden Wangen mit daran befindlichen Gegenmassen.
An der Kurbelwelle vollzieht sich die Umwandlung der oszillierenden in die rotierende Bewegung. Größere Kurbelwellen werden frei vorgeschmiedet, dann mit in die richtige Lage gedrehten Kröpfungen fertig geschmiedet und fertig bearbeitet.
Die allgemein bekannten einstückigen Kurbelwellen für Verbrennungsmotoren sind meist aus einem geschmiedeten Stück gefertigt und bedürfen aufwändiger spanender Bearbeitung. Die einstückige Bauart verleiht Kurbelwellen in der Größe, wie sie für mittelschnell laufende Dieselmotoren benötigt werden, zwar eine gute Stabilität, lässt aber eine nachträgliche Reparatur schadhafter Abschnitte sowie den Einsatz von hoch belastbaren Lagern nur schwer zu.
Ein Pleuellagerzapfen (Kurbel) mit sehr kleinem Hubradius (Kurbelradius) kann in der Bauform eines Exzenters ausgeführt werden. Der Schwerpunkt eines Pleuellagerzapfens liegt außerhalb der Kurbelwellenmitte, es treten daher radial nach außen gerichtete Fliehkräfte auf. Zum Ausgleich sind in der Regel deshalb an den Hubwangen Gegengewichte angebracht.
Insbesondere bei großen Hubkolbenbrennkraftmaschinen, wie sie in Schiffen oder Kraftwerken zum Einsatz kommen, ist es üblich, einen Motortyp mit unterschiedlichen Zylinderzahlen anzubieten. Es muss daher für jede Zylinderzahl eine spezielle Kurbelwelle geschmiedet werden. Dies erfordert nicht nur einen hohen Ferti gungsaufwand, sondern auch relativ lange Beschaffungszeiträume, da es unwirtschaftlich wäre, alle irgendwann benötigten Kurbelwellen auf Lager zu halten.
Bei mittelschnell laufenden Viertakt-Dieselmotoren ist das Verhältnis von Hublänge s zur Zylinderbohrung D verglichen mit langsam laufenden Zweitakt-Motoren klein und der Zylinderdruck P_Zyl in der Regel höher, so dass sich die Querschnitte der Grundlager- und Kurbelzapfen immer überlappen, weswegen bisher in diesem Bereich gebaute Kurbelwellen in der Praxis nicht realisiert wurden.
Es wurden jedoch schon Kurbelwellen vorgeschlagen, bei der die einzelnen Wellenabschnitte, Gegengewichte und Kurbelzapfen unabhängig von den anderen Elementen getrennt und wieder zusammengefügt werden können. Diese Kurbelwellen sollen aus vorrätigen Teilen leicht herstellbar und ohne besondere Kenntnisse zusammenbaubar sein.
Bekannt und in der Praxis bereits ausgeführt sind Konzepte gebauter Kurbelwellen, bei denen die Kurbelwange als Scheibe ausgeführt ist, deren Ausdehnung so groß gewählt ist, dass sie gleichzeitig auch die Lagerung der Grundlagerzapfen mit übernehmen kann. Die Pleuellagerzapfen sind, als separate Teile hergestellt, in diese Scheibe eingeschrumpft, eingeschraubt oder anderweitig mit dieser verbunden.

Gemäß der DE-PS 347 103 sind die in die Wangen eingesetzten Zapfen derart exzentrisch an die Wellenstücke angesetzt, so dass ihre Mittenentfernung größer ist als der Kurbelradius (= halber Kolbenhub). Außerdem sind die Geometrien der Verbindungselemente zur Kurbelwange kleiner als die Zapfendurchmesser. Damit in den Wangen zwischen den Bohrungen für die Zapfen genügend Zwischenwandstärke bleibt, muss man entweder einen größeren Hub wählen, oder aber Kurbel und Welle einteilig ausführen. Jedenfalls ist hier der Hub so groß, dass keine Überlappungen der Querschnitte von Grundlager- und Kurbelzapfen in radialer Richtung der Kurbelwelle auftreten.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Aufbau für eine gebaute Kurbelwelle mit verglichen mit langsam laufenden Zwei-Takt-Motoren kleinem Hubradius zu schaffen, der eine einfache, kostengünstige Herstellung mit beliebiger Länge für eine bestimmte Anzahl von Hubkolben ermöglicht und die Anwendungsfälle ermöglicht, bei denen das Verhältnis des Kolbenhubs s zur Summe der addierten Durchmesser von Grund- und Pleuel-/Kurbellagerzapfen < 1 ist (s < (D_GLZ + D_PLZ); GLZ = Grundlagerzapfen, PLZ = Pleuellagerzapfen).

Dies geht in den meisten praktischen Anwendungsfällen einher mit einem Verhältnis des Kolbenhubs s zum Kolbendurchmesser D von deutlich unter 2. Langsam laufende Zwei-Takt-Dieselmotoren, bei denen in überwiegender Zahl gebaute Kurbelwellen zum Einsatz kommen, weisen in der Praxis s/D ~ 2 oder sogar größer auf.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die einzelnen Elemente zum Aufbau von Grundlager-, Pleuellagerzapfen und Kurbelwangen nach dem Baukastenprinzip reibschlüssig oder formschlüssig oder reib- und formschlüssig verbunden sind, derart, dass sich durch Wahl geeigneter Kontaktgeometrien für die einzelnen Elemente die Querschnitte der Grundlager- und Kurbelzapfen in radialer Richtung der Kurbelwelle überlappen können, so dass der Kurbelradius kleiner oder gleich der Summe der addierten Radien eines Grundlager- und eines Pleuellagerzapfens sein kann.

Natürlich können die erfindungsgemäßen Maßnahmen durch entsprechende Dimensionierungen auch für gebaute Kurbelwellen angewendet werden, deren Kurbelradius größer als die Summe der addierten Radien eines Grund- und Pleuellagerzapfens sein kann.

Hierdurch ergibt sich eine hohe Flexibilität und eine kurze Beschaffungszeit, da der Kurbelwellenrohling sehr schnell aus lagerhaltigen Einzelstücken aufgebaut werden kann.

Ein derartiger Zusammenbau einer Kurbelwelle aus mehreren leicht handhabbaren Einzelelementen eignet sich allgemein für jede Art von Hubkolbenmaschinen, wie Brennkraftmaschinen, Pumpen, Verdichter und Kompressoren.

Für die Beschaffung der Einzelelemente in Form von Halbzeugen kommt ein wesentlich größerer Kreis an Lieferanten in Frage. Außerdem, da der Herstellprozess einer gebauten Kurbelwelle sich stark von einer herkömmlichen geschmiedeten Kurbelwelle unterscheidet, lassen sich Produktionsengpässe vermeiden und deren Auswirkungen zumindest stark abmildern.

Die Einführung neuer Lagertechnologien, die im Bereich vom PKW- und LKW-Bau bereits serienmäßig eingesetzt werden, sind bisher bei mittelschnell laufenden Dieselmotoren nicht einsetzbar, da diese gehärtete Kurbelzapfen voraussetzen. Bei einteiligen Kurbelwellen dieser Größenordnung werden die Zapfen weich gelassen, da eine Nacharbeitsreserve für Lagerschäden vorgehalten werden muss. Weiterhin wird im Falle einer Induktivhärtung der Zapfen eine weitere Zunahme der Fertigungskomplexität befürchtet, die eigentlich sowieso schon als eher zu hoch angesehen wird.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.
In der zugehörigen Zeichnung zeigt:
1 bis 4 ein Baukastenprinzip, das drei unterschiedliche Elemente in Form eines Pleuellagerzapfens, eines Grundlagerzapfens und einer Hubwange umfasst,
5 ein Baukastenprinzip, bei dem für die reib- und formschlüssige Verbindung in der Hubwange eine Unterstützung mittels mehrerer Zwischenstücke mit passgerechten Auflageflächen vorgesehen ist,
6 ein Baukastenprinzip, bei dem die Grundlager- und Pleuellagerzapfen mittels mind. zweier unterschiedlicher, in eine Hubwange steckbare Einzelelemente aufgebaut ist,
7 bis 8 ein Baukastenprinzip, bei dem die Einzelelemente der Kurbelwelle im Wesentlichen einen Grundlagerzapfen und eine einstückige Kurbelkröpfung aus zwei Hubwangen und einem Pleuellagerzapfen umfassen,
9 bis 11 ein Baukastenprinzip, bei dem sowohl dem Grundlager, als auch dem Pleuellagerzapfen beidseitig ein Teilstück einer Hubwange angeformt ist und
12 ein Baukastenprinzip, bei dem sowohl der Grundlager-, als auch der Pleuellagerzapfen beidseitig mit Steckvenbindungselementen ausgeführt ist.
Das Baukastenprinzip einer Kurbelwelle 8 der 1 umfasst drei unterschiedliche Elemente in Form eines Pleuellagerzapfens 1, eines Grundlagerzapfens 2 und einer Hubwange 3.
Sowohl die Pleuellagerzapfen 1 als auch die Grundlagerzapfen 2 weisen beidseitig kreiszylindrische Schrumpfverbindungselemente 1a, b; 2a, b auf, die außermittig an die Lagerzapfen 1, 2 angeformt sind, so dass in den Hubwangen 3 eine kreiszylindrische, reibschlüssige Schrumpfverbindung hergestellt ist, wobei die Aufnahmebohrungen 4, 5 für die Schrumpfverbindungselemente 1a, b; 2a, b in den Hubwangen 3 als zwei völlig voneinander getrennte kreiszylindrische Schrumpffügeflächen 6, 7 ausgeführt sind.
Eine weitere besonders vorteilhafte Variante des Baukastenprinzips zeigt 2. Sowohl die Pleuellagerzapfen 10, als auch die Grundlagerzapfen 11 weisen beidseitig Schrumpfverbindungselemente 10a, b; 11a, b auf, die paarweise in einer entsprechenden Passbohrung 12 in der Hubwange 13 aufeinander gelegt sind, derart, dass korrespondierende Auflageflächen 14, 15 komplementär an den Schrumpfverbindungselementen 10a, b; 11a, b vorgesehen sind, so dass in einer Hubwange 13 jeweils ein Pleuellager- 10 und ein Grundlagerzapfen 11 reib- und formschlüssig verbunden sind und über die jeweilige Ausrichtung bzgl. der Achse der Kurbelwelle 16 der komplementär ausgerichteten Auflageflächen 14, 15 zumindest die Winkelstellung der Hubbewegung variierbar ist.
3 zeigt eine Variante der Ausführung von 2, weshalb auch die gleichen Bezugszeichen verwendet sind. Zusätzlich sind des Weiteren an den Hubwangen 13 die Massenausgleichselemente 18 angeformt.
Eine weitere besonders vorteilhafte Variante zeigt 4. Die Schrumpfverbindungselemente 10a, b; 11a, b weisen jeweils eine halbzylindrische Ausbildung auf und bilden beim Zusammenlegen zweier korrespondierender Auflageflächen 14, 15 im Wesentlichen eine kreiszylindrische Geometrie aus, so dass jeweils ein Pleuellager 10 und ein Grundlagerzapfen 11 in einer kreiszylindrischen Bohrung 12 in einer Hubwange 13 reib- und formschlüssig zusammengefügt sind.
Eine Kurbelwelle 8, 16 einer beispielsweise 18 V-Brennkraftmaschine würde unter Verwendung des oben beschriebenen Baukastenprinzips 37 Einzelteile benötigen (einen Wellenstummel auf der Kupplungsseite, einen Wellenstummel auf der Kupplungsgegenseite, 18 Wangen 3, 13, acht Grundlagerzapfen 2, 11 und neun Pleuellagerzapfen 1, 11).
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der 5 wird die reib- und formschlüssige Verbindung in der Hubwange 13 durch ein oder mehrere Zwischenstücke 19, 20 mit passgerechten Auflageflächen unterstützt.
Gemäß der 6 sind die Grundlager- 21 und Pleuellagerzapfen 22 mittels mind. zweier unterschiedlicher in eine Hubwange 23 steckbare Einzelelemente aufgebaut, die die Mitten der Zapfen 21, 22 in paralleler Richtung zueinander versetzen und die Einzelelemente zusätzlich in der Hubwange 23 miteinander verschrauben.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zeigt 7; dass die einzelnen Elemente einer Kurbelwelle 30 im Wesentlichen einen Grundlagerzapfen 31 und eine einstückige Kurbelkröpfung 32 aus zwei Hubwangen 33 und einen Pleuellagerzapfen 34 umfassen können, wobei ein Grundlagerzapfen 31 durch eine kreiszylindrische Bohrung 35 oder eine kreiszylinderförmige becherartige Vertiefung in der Hubwange 33 reibschlüssig mit der Kurbelkröpfung 32 verbindbar ist.
8 zeigt als weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel, dass die Einzelelemente einer Kurbelwelle 40 im Wesentlichen eine Kurbelkröpfung 41, die sowohl als Grundlagerzapfen, als auch als Pleuellagerzapfen verwendbar ist, und einen Schrumpfring 42 umfassen, womit jeweils zwei Kurbelkröpfungen 41 reibschlüssig verbindbar sind.
9 zeigt eine weitere vorteilhafte Variante der Erfindung. Sowohl dem Grundlager- 50 als auch dem Pleuellagerzapfen 51 ist beidseitig ein Teilstück 50a, 51a, b einer Hubwange angeformt. Diese Teilstücke weisen Auflageflächen 52, 53 auf, so dass jeweils ein Grundlager- 50 und ein Pleuellagerzapfen 51 an komplementär ausgebildeten Auflageflächen 52, 53 zusammensetzbar ist und jeweils ein Teilstück-Paar 50a, 51b mittels Dehnschrauben 54 verbindbar ist. Des Weiteren sind an den Teilstück-Paaren 50a, 51b Massenausgleichselemente 55 anschraubbar.
10 und 11 zeigen zwei weitere Varianten der Ausführungsform der 9, die ohne nähere Erklärungen einfach aus den Figs. entnehmbar sind.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt 12. Sowohl der Grundlager- 60 als auch der Pleuellagerzapfen 61 ist beidseitig mit Steckverbindungselementen 60a, 61a, b ausgeführt, so dass jeweils zwei miteinander komplementär wirkende Steckverbindungselemente 60a, 61a unter Ausbildung jeweils einer Hubwange ineinander gesteckt sind und jeweils an eine Hubwange ein Ausgleichsgewicht 62 anschraubbar ist. Die Steckverbindung ist zusätzlich mittels Dehnschrauben 65 fixierbar.
Weiterhin ist es auf Grund des beschriebenen Aufbaues von aus mehreren Baukastenteilen zusammengesetzten Kurbelwellen leichter möglich, auch bei Kurbelwellen für mittelschnell laufende Dieselmotoren gehärtete Zapfen einzusetzen, und damit moderne Gleitlagertypen zu verwenden, die dies erfordern und deshalb bisher bei Motoren dieser Kategorie nicht in nennenswertem Umfang zum Einsatz gekommen sind. Weiterhin ist es auf Grund des beschriebenen Aufbaues von aus mehreren Baukastenteilen zusammengesetzten Kurbelwellen leichter möglich, Probleme mit Kurbelwellenpartien, die während des Fertigungs- oder Prüfprozesses als fehlerhaft identifiziert worden sind, durch Einsatz eines anderen Bauteils, zu beheben. Weiterhin ist es auf Grund des beschriebenen Aufbaues von aus mehreren Baukastenteilen zusammengesetzten Kurbelwellen leichter möglich, bei im Motorbetrieb, durch Lagerfresser oder ähnlichem entstandenen massiven Schäden an der Kurbelwelle Reparaturen, womöglich auch durch ausschließlichen Ersatz des schadhaften Teiles, durchzuführen.

Claims

Gebaute Kurbelwelle, insbesondere für mittelschnell laufende Viertakt-Dieselmotoren, die aus einzelnen Elementen zum lösbaren Zusammenfügen von mehreren Grundlager-, Pleuellagerzapfen und Kurbelwangen aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelemente nach dem Baukastenprinzip reibschlüssig oder formschlüssig oder reib- und formschlüssig verbunden sind, derart, dass sich durch Wahl geeigneter Kontaktgeometrien für die einzelnen Elemente die Querschnitte der Grundlager- und Kurbelzapfen in radialer Richtung der Kurbelwelle überlappen können, so dass der Kurbelradius kleiner oder gleich der Summe der addierten Radien eines Grundlager- und eines Pleuellagerzapfens sein kann.
Gebaute Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Baukastenprinzip drei unterschiedliche Elemente in Form eines Pleuellagerzapfens, eines Grundlagerzapfens und einer Hubwange umfasst.
Gebaute Kurbelwelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Pleuellagerzapfen (1) als auch die Grundlagerzapfen (2) beidseitig kreiszylindrische Schrumpfverbindungselemente (1a, b; 2a, b) aufweisen, die außermittig an die Lagerzapfen angeformt sind, so dass in den Hubwangen (3) eine kreiszylindrische, reibschlüssige Schrumpfverbindung hergestellt ist, wobei die Aufnahmebohrungen (4, 5) für die Schrumpfverbindungselemente (1a, b; 2a, b) in den Hubwangen (3) als zwei völlig voneinander getrennte, kreiszylindrische Schrumpffügeflächen (6, 7) ausführbar sind (1).
Gebaute Kurbelwelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Pleuellagerzapfen (10) als auch die Grundlagerzapfen (11) beidseitig Schrumpfverbindungselemente (10a, b; 11a, b) aufweisen, die paarweise in einer entsprechenden Passbohrung (12) in der Hubwange (13) aufeinander gelegt sind, derart, dass korrespondierende Auflageflächen (14, 15) komplementär an den Schrumpfverbindungselementen (10a, b; 11a, b) vorgesehen sind, so dass in einer Hubwange (13) jeweils ein Pleuellager- (10) und ein Grundlagerzapfen (11) reib- und formschlüssig verbunden sind und über die jeweilige Ausrichtung bzgl. der Achse der Kurbelwelle (16) der komplementär ausgebildeten Auflageflächen (14, 15) zumindest die Winkelstellung der Hubbewegung variierbar ist (2).
Gebaute Kurbelwelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrumpfverbindungselemente (10a, b; 11a, b) jeweils eine halbzylindrische Ausbildung aufweisen und beim Zusammenlegen zweier korrespondierender Auflageflächen (14, 15) im Wesentlichen eine kreiszylindrische Geometrie ausbilden und so jeweils ein Pleuellager- (10) und ein Grundlagerzapfen (11) in einer kreiszylindrischen Bohrung in einer Hubwange (13) reib- und formschlüssig zusammengefügt sind (4).
Gebaute Kurbelwelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die reib- und formschlüssige Verbindung in der Hubwange (13) durch eine oder mehrere Zwischenstücke (19, 20) mit passgerechten Auflageflächen unterstützt wird (5).
Gebaute Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundlager- (21) und Pleuellagerzapfen (22) mittels mind. zweier unterschiedlicher, in eine Hubwange (23) steckbare Einzelelemente aufgebaut ist, die die Mitte der Zapfen (21, 22) in paralleler Richtung zueinander versetzen und die einzelnen Elemente zusätzlich in der Hubwange (23) miteinander verschraubbar sind (6).
Gebaute Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Elemente der Kurbelwelle (3) im Wesentlichen einen Grundlagerzapfen (31) und eine einstückige Kurbelkröpfung (32) aus zwei Hubwangen (33) und einem Pleuellagerzapfen (34) umfassen, wobei ein Grundlagerzapfen (31) durch eine kreiszylindrische Bohrung (34) oder eine kreiszylinderförmige, becherartige Vertiefung in der Hubwange (33) reibschlüssig mit der Kurbelkröpfung (32) verbindbar ist (7).
Gebaute Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Elemente der Kurbelwelle (40) im Wesentlichen eine Kurbelkröpfung (41), die sowohl als Grundlagerzapfen, als auch als Pleuellagerzapfen verwendbar ist, und einen Schrumpfring (42) umfassen, womit jeweils zwei Kurbelkröpfungen (41) reibschlüssig verbindbar sind (8).
Gebaute Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl dem Grundlager- (50) als auch dem Pleuellagerzapfen (51) beidseitig ein Teilstück (50a, 51a, b) einer Hubwange angeformt ist, diese Teilstücke Auflageflächen (52, 53) aufweisen, so dass jeweils ein Grundlager- (50) und ein Pleuellagerzapfen (51) an komplementär angeformten Auflageflächen (52, 53) zusammensetzbar ist und jeweils ein Teilstück-Paar mittels Dehnschrauben (54) verbindbar ist (9).
Gebaute Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Grundlager- (60) als auch der Pleuellagerzapfen (61) beidseitig mit Steckverbindungselementen (60a, 61a, b) ausgeführt ist, so dass jeweils zwei miteinander komplementär wirkende Steckverbindungselemente (60a, 61a) unter Ausbildung jeweils einer Hubwange ineinander gesteckt sind und jeweils an eine derartige Hubwange ein Ausgleichsgewicht (62) anschraubbar ist (12).
Gebaute Kurbelwelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese durch entsprechende Dimensionierungen der einzelnen Elemente auch für gebaute Kurbelwellen angewendet werden kann, deren Kurbelradius größer als die Summe der addierten Radien eines Grund- und Pleuellagerzapfens sein kann.