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Die
Erfindung betrifft eine Kurbelwelle umfassend eine Anzahl von Einzelsegmenten,
wobei jedes Einzelsegment eine Kurbelwange mit einem Hauptlagerzapfenabschnitt
und einem Pleuellagerzapfenabschnitt umfasst, wobei die Lagerzapfenabschnitte
jeweils als ein einen Hohlraum umschließender Rohrabschnitt ausgebildet
sind, wobei jeweils benachbart angeordnete Einzelsegmente über die
Stirnflächen
ihrer einander zugewandten Lagerzapfenabschnitte unter Ausbildung
von Hauptlagerzapfen und Pleuellagerzapfen gegeneinander gefügt sind,
wobei wenigstens ein Einzelsegment einen im wesentlichen gradlinig
ausgebildeten Ölkanal umfasst,
welcher durch die Kurbelwange und durch in den von den Lagerzapfenabschnitten
umschlossenen Hohlräumen
jeweils vorgesehenes Zusatzmaterial verläuft und an der jeweiligen Außenfläche der Lagerzapfenabschnitte
mündet.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer
solchen Kurbelwelle.
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Aus
Einzelsegmente zusammengesetzte Kurbelwellen sind seit Jahrzehnten
aus dem Stand der Technik bekannt. So ist in der
DE 198 38 225 B4 eine aus
einer Anzahl von Einzelsegmenten bestehende, geschweißte Kurbelwelle
bekannt, bei der in jedem zweiten Einzelsegment ein Ölkanal in
axialer Richtung der Kurbelwelle durch den Überlappungsbereich von Hauptlager
und Pleuellagerzapfen verläuft.
Von dem Ölkanal
gehen jeweils zwei radial verlaufende Bohrungen ab, die den Ölkanal mit
der jeweiligen Außenfläche der
Lagerzapfen verbindet. Durch diese Gestaltung der in den Einzelsegmenten vorgesehenen Ölkanäle kann
bereits eine befriedigende Schmierung von Hauptlager und Pleuellager im
Betrieb der Kurbelwelle erreicht werden. Allerdings erfordert die
vorstehend beschriebene Konfiguration, dass sich die Hauptlager-
und Pleuellagerzapfen der Kurbelwelle radial überlappen, so dass der Kurbelwellenhub
begrenzt ist.
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Dieser
Nachteil wird durch die in der
EP 0 090 013 B1 beschriebene Kurbelwelle überwunden. Diese
ist ebenfalls aus einer Anzahl von Einzelsegmenten zusammengesetzt,
wobei jedes zweite Einzelsegment verlängerte Hauptlager und Pleuellagerzapfenabschnitte
aufweist. In diesen Einzelsegmenten ist jeweils ein Ölkanal vorgesehen,
der gemäß einer
ersten Ausführungsform
als ein geradlinig geformtes Röhrchen
ausgebildet ist, welches durch eine Bohrung in der Kurbelwange und
durch die von den Lagerzapfenabschnitten umschlossenen Hohlräumen verläuft und
an den jeweiligen Außenflächen der
Lagerzapfenabschnitte mündet.
Der besondere Nachteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass
mit den Röhrchen
weitere Einzelteile erforderlich sind, welche in einem gesonderten
Fertigungsschritt mit den Einzelsegmenten verbunden werden müssen und
gerade im Betrieb mit hoher Drehzahl besonderen Belastungen ausgesetzt
sind. In einer weiteren Ausführungsform
ist in jedem zweiten Einzelsegment ein ebenfalls geradlinig geformter Ölkanal vorgesehen,
welcher durch die Kurbelwange des Einzelsegmentes und durch Flansche
verläuft,
die in den von den Lagerzapfenabschnitten jeweils umschlossenen Hohlräumen vorgesehen
sind. Der Nachteil an dieser Ausführungsform ist, dass durch
die vergleichsweise voluminösen
Flansche große
Bereiche der Hohlräume
wieder mit Material ausgefüllt
sind, so dass die durch die hohl ausgeführten Lagerzapfenabschnitte erzielte
Gewichtseinsparung nur gering ausfällt.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Kurbelwelle anzugeben, die eine zuverlässige und gleichmäßige Ölschmierung
der Hauptlager und der Pleuellager ermöglicht. Ferner soll die Kurbelwelle einfach
gestaltet sein und gleichzeitig ein minimales Eigengewicht aufweisen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Kurbelwelle
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1 dadurch gelöst, dass das Zusatzmaterial in
den von den Lagerzapfenabschnitten umschlossenen Hohlräumen derart
angeordnet ist, dass der Ölkanal
in axialer Richtung der Kurbelwelle gesehen winklig zur Symmetrieebene
des Einzelsegmentes verläuft.
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Durch
die erfindungsgemäß vorgesehene Anordnung
des Ölkanals
außerhalb
der Symmetrieebene des Einzelsegmentes kann der relative Längenanteil
des Ölkanals,
welcher sich durch die von den Lagerzapfenabschnitten umschlossenen
Hohlräume erstreckt,
wirksam reduziert werden. Dies hat wiederum zur Folge, dass nur
eine vergleichsweise geringe Menge Zusatzmaterial benötigt wird,
um den Ölkanal in
diesem Bereich zu umschließen,
wodurch sich eine im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten
Kurbelwellen weitere Gewichtseinsparung ergibt. Ferner kann durch
die variabel festzulegende Position des Ölkanals relativ zur Symmetrieebene des
Kurbelwelleneinzelsegmentes und damit durch die entsprechend variabel
festzulegenden Austrittspunkte des Ölkanals auf den Außenflächen der Lagerzapfenabschnitte die
Schmierung der Lager optimiert werden. Insbesondere können die
Mündungen
des Ölkanals
ohne weiteres so gelegt werden, dass sie nicht im Bereich des höchsten Schmierfilmdruckes
liegen.
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Die
Einzelsegmente der erfindungsgemäßen Kurbelwelle
können
auf verschiedene Weise an den Stirnflächen ihrer jeweiligen Lagerzapfenabschnitte gegeneinander
gefügt
werden. Zweckmäßigerweise werden
jeweils benachbart angeordnete Einzelelemente miteinander verschweißt, vorzugsweise
durch Reibschweißen.
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Nach
einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass das in den Hohlräumen
der Lagerzapfenabschnitte jeweils vorgesehene Zusatzmaterial an
die Kurbelwange und/oder die Innenfläche der Lagerzapfenabschnitte des
wenigstens einen Einzelsegments angeschmiedet ist. Dies hat den
Vorteil, dass das Einzelsegment und das in den Hohlräumen der
Lagerzapfenabschnitte vorgesehene Zusatzmaterial in einem einzigen
Fertigungsschritt geschmiedet werden können, was die Produktionskosten
erheblich senkt. Vorzugsweise ist dazu die Geometrie des Zusatzmaterials
in die Gravur des beim Schmieden jeweils verwendeten Gesenks direkt
integriert.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen
die Einzelsegmente in dem von dem Hauptlagerzapfenabschnitt umschlossenen
Hohlraum und/oder in dem von dem Pleuellagerzapfenabschnitt umschlossenen
Hohlraum eine Verstärkung
auf. Mit einer solchen Verstärkung
kann bei nur geringem zusätzlichen
Gewicht der Gesamtkonstruktion die mechanische Festigkeit der Kurbelwelle
signifikant erhöht
werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die in dem jeweiligen
Hohlraum der gegeneinander gefügten
Lagerzapfenabschnitte angeordneten Verstärkungen derart dimensioniert
sind, dass sie eine zusätzliche
Fügefläche bilden.
Dies bedeutet, dass jeweils benachbart angeordnete Einzelsegmente
nicht nur an der ringförmigen
Stirnfläche ihrer
Lagerzapfenabschnitte, sondern auch über die in den Hohlräumen vorgesehenen
Verstärkungen
gegeneinander gefügt
sind. Durch die entsprechend vergrößerte Fügefläche kann die Festigkeit der
Kurbelwelle und die Stabilität
der Fügeverbindung
weiter erhöht
werden. Dabei kann es sinnvoll sein, dass die zusätzliche
Fügefläche außerhalb
der durch die Stirnflächen
der Lagerzapfenabschnitte gebildeten Fügeebene liegt, um ungehindert
eine Schweißnaht- bzw.
Schweißwulstausbildung
beim Schweißen,
insbesondere Reibschweißen
sicherzustellen.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Lehre der Erfindung weisen die zu dem
wenigstens einen Einzelsegment benachbart angeordneten Einzelsegmente
im Vergleich zu dem wenigstens einen Einzelsegment kürzere Lagerzapfenabschnitte
auf, so dass die Fügeebene
bezogen auf die Längserstreckung des
jeweils gebildeten Lagerzapfens außermittig angeordnet ist. Diese
axial asymmetrische Lage der ringförmigen Fügenaht ist unkritisch bezogen
auf die Belastungseinflusszone der Hohlkehle im Übergang von Lagerlauffläche zur
Wandung der Kurbelwange. Durch die bezüglich der Lagermitte versetzte
Fügenaht
ist es möglich,
dass der Ölkanal
jeweils in der Mitte der Haupt- und Pleuellagerzapfen mündet. Hierdurch
wird eine besonders gleichmäßige Ölschmierung über die
gesamte Breite des Lagerzapfens erreicht. Ferner ist es zweckmäßig, dass
der Ölkanal
auf der Fliehkraftaußenseite des
Pleuellagerzapfens mündet,
womit eine konventionell gerichtete Ölzuführung entlang der Fliehkraft
mit angemessener Schmierung sichergestellt wird.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der durch die Kurbelwange und das in den Hohlräumen der Lagerzapfenabschnitte
angeordnete Zusatzmaterial verlaufende Ölkanal vollständig gegenüber den
Hohlräumen
abgedichtet ist. Somit ist der in dem Ölkanal erzielte wirksame Ölfluss vollständig ohne
Kontakt zu den Hohlräumen
oder Fügeflächen und
somit frei von kontaminierenden Restpartikeln, die aus dem Fügeprozess
resultieren können.
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Der
Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben,
welches eine schnelle und kostengünstige Fertigung der Kurbelwelle
gemäß einem
der Ansprüche
1–9 ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem
Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle gemäß einem der Ansprüche 1–9 gelöst welches
durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:
- – Fertigen
der Einzelsegmente durch Flachschmieden,
- – Fertigen
des wenigstens einen Einzelsegments durch Flachschmieden und Anschmieden
des Zusatzmaterials an die Kurbelwange in den von dem Hauptlagerzapfenabschnitt
und dem Pleuellagerzapfenabschnitt umschlossenen Hohlräumen,
- – Fügen der
Einzelsegmente über
die jeweilige Stirnfläche
ihrer Hauptlagerzapfenabschnitte und Pleuellagerzapfenabschnitte.
- – Bohren
des Ölkanals
durch die Kurbelwange des wenigstens einen Einzelsegments und das
an die Kurbelwange angeschmiedete Zusatzmaterial,
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Das
erfindungsgemäß vorgesehene
modulare Zusammenfügen
der Einzelsegmente bietet die Möglichkeit
einer variablen Designmodifikation der Kurbelwelle in Abhängigkeit
von Beanspruchung sowie Zylinderzahl, Einbaulänge, Freigängen, Pleuellager- und Gegengewichtspositionierung.
Das erfindungsgemäß vorgesehene
Flachschmieden der Einzelsegmente bietet dabei ein hohes Maß an Reproduzierbarkeit
und Prozesssicherheit.
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Grundsätzlich ist
es zwar möglich,
die beiden letzten Verfahrensschritte „Fügen der Einzelsegmente" und „Bohren
des Ölkanals" in umgekehrter Reihenfolge
durchzuführen.
Die beschriebene erste Alternative wird aber aus mehreren Gründen bevorzugt.
Die Herstellung separater Ölkanalbohrungen
in den Einzelsegmenten ist aufwendiger. Die Bohrungen lassen sich
auch nicht mit den Bohrvorrichtungen herkömmlicher Produktionsanlagen
herstellen sondern nur in dafür
vorzusehenden neuen Bohrvorrichtungen. Hinzu kommt, dass bei der
Herstellung von Einzelbohrungen hohe Genauigkeits- und Toleranzanforderungen
erfüllt
werden müssen,
weil sonst nach dem Fügen
der Einzelsegmente hohe Genauigkeitsanforderungen erfüllende,
durchgängige
Bohrungen nicht hergestellt werden können.
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Nach
einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
erfolgt das Flachschmieden des wenigstens einen Einzelsegments und
das Anschmieden des Zusatzmaterials in einem Arbeitsschritt. Hierzu
ist die Geometrie des angeschmiedeten Zusatzmaterials in die Gesenkgravur des
Schmiedewerkzeugs direkt integriert. Durch das Flachschmieden des
Einzelsegments und das Anschmieden des Zusatzmaterials in einem
gemeinsamen Arbeitsschritt wird die Anzahl der erforderlichen Prozessschritte
zur Herstellung der Kurbelwelle weiter reduziert, wodurch sich Produktionskosten
senken lassen.
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Vorzugsweise
erfolgt das Bohren des Ölkanals
durch die Kurbelwange und das in den Hohlräumen der Lagerzapfenabschnitte
vorgesehene Zusatzmaterial durch Tieflochbohren. Beim Tieflochbohren
kann verfahrensbedingt ein sehr großes Verhältnis von Bohrtiefe zu Durchmesser
erreicht werden, wobei eine gute Oberflächenqualität erzielt wird und ein Entspänen entfallen
kann. Hierdurch wird die Gefahr minimiert, dass in den Ölkanälen verbleibende
Bohrspäne
mit dem Ölfluss
zu den Haupt- oder Pleuellagern transportiert werden und diese beschädigen.
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Schließlich ist
nach einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung
des Verfahrens vorgesehen, dass die Zapfenabschnitte der Einzelsegmente
zumindest teilweise mit definiertem Axialaufmaß gefertigt werden. Hierdurch
können
prozessspezifische axiale Längenänderungen
während
des Fügens
problemlos kompensiert werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden
Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Einzelsegment der erfindungsgemäßen Kurbelwelle
in Seitenansicht mit eingezeichnetem Ölkanal,
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2 das
Einzelsegment aus 1 mit eingezeichnetem Ölkanal in
Vorderansicht,
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3 einen
Längsschnitt
durch das Einzelsegment aus 1,
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4 einen
Querschnitt durch das Einzelsegment aus 1 entlang
der Schnittlinie A-A aus 3,
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5 einen
Längsschnitt
durch zwei über ihre
Pleuellagerzapfenabschnitte gegeneinander gefügte Einzelsegmente,
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6 einen
Längsschnitt
durch drei gegeneinander gefügte
Einzelsegmente mit in den jeweiligen Hauptlager- und Pleuellagerzapfenabschnitten vorgesehenen
Verstärkungen,
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7 ein
Gesenkwerkzeug zum Flachschmieden eines Einzelsegmentes mit darüber positioniertem
vorgewalztem Materialrohling im Längsschnitt und
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8 ein
Einzelsegment einer aus dem Stand der Technik bekannten Kurbelwelle
in Vorderansicht.
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Das
in 1 dargestellte Einzelsegment 1 der erfindungsgemäßen Kurbelwelle
umfasst eine Kurbelwange 2 mit Gegengewicht 2a,
einen an die Kurbelwange 2 angeformten Hauptlagerzapfenabschnitt 3 sowie
einen an die Kurbelwange 2 angeformten Pleuellagerzapfenabschnitt 4,
wobei der Hauptlager- und der Pleuellagerzapfenabschnitt 3, 4 radial
zueinander versetzt auf gegenüberliegenden Seiten
der Kurbelwange 2 angeordnet sind. Der Hauptlagerzapfenabschnitt 3 sowie
der Pleuellagerzapfenabschnitt 4 sind als Rohrabschnitte
ausgebildet und umschließen
jeweils einen Hohlraum 3a, 4a. In den Hohlräumen 3a, 4a ist
jeweils Zusatzmaterial 3b, 4b vorgesehen, welches
an die Kurbelwange 2 und an die jeweilige Innenfläche der Lagerzapfenabschnitte 3, 4 jeweils
angeschmiedet ist.
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Das
Einzelsegment 1 umfasst ferner einen im wesentlichen gradlinig
geformten Ölkanal 5,
welcher durch die Kurbelwange 2 des Einzelsegments 1 und
durch das in den von den Lagerzapfenabschnitten 3, 4 umschlossenen
Hohlräumen 3a, 4a jeweils vorgesehene
Zusatzmaterial 3b, 4b verläuft und an der jeweiligen Außenfläche der
Lagerzapfenabschnitte 3, 4 mündet. Erfindungsgemäß ist das
Zusatzmaterial 3b, 4b in den Hohlräumen 3a, 4a derart angeordnet,
dass der Ölkanal 5 winklig
zur Symmetrieebene des Einzelsegmentes 1 verläuft. Durch
die erfindungsgemäß gewählte räumliche
Anordnung des Ölkanals 5 kann
der sich durch die Hohlräume 3a, 4a der
Lagerzapfenabschnitte 3, 4 erstreckende Längenanteil
des Ölkanals 5 reduziert
werden, was zu einer Gewichtseinsparung führt, da auch die Menge des
den Ölkanal 5 in
den Hohlräumen 3a, 4a umschließenden Zusatzmaterials 3b, 4b im
Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Kurbelwellen (vgl. 8)
entsprechend reduziert werden kann. Vorzugsweise ist das Zusatzmaterial
derart ausgebildet, dass der Ölkanal 5 vollständig gegenüber den Hohlräumen 3a, 4a abgedichtet
ist.
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In 3 ist
das Einzelsegment 1 der erfindungsgemäßen Kurbelwelle im Längsschnitt
dargestellt, wobei der Längsschnitt
durch die Symmetrieebene des Einzelsegmentes 1 verläuft. Die
winklige Anordnung des Ölkanals 5 relativ zur
Symmetrieebene des Einzelsegmentes 1 ist in dieser Ansicht
dadurch erkennbar, dass der Ölkanal
(5) die Symmetrieebene in einem Punkt 5* durchstößt, wobei
der Querschnitt des Ölkanals 5 an
dem Durchstoßungspunkt
(5*) entsprechend ellipsenförmig ausgebildet ist. Wie in
der Querschnittansicht der 4 deutlich erkennbar,
ist das in dem Hohlraum 3a des Hauptlagerzapfenabschnittes 3 angeordnete
Zusatzmaterial 3b als an die Innenfläche des Hauptlagerzapfenabschnittes 3 und
an die Kurbelwange 2 angeschmiedeter Materialvorsprung
ausgebildet. Der winklig zur Symmetrieebene des Einzelsegmentes 1 verlaufende Ölkanal 5 ist
an seinem Durchstoßungspunkt 5** durch
die Schnittebene A-A ebenfalls als Ellipsenfläche sichtbar.
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In 5 ist
eine Kröpfung
der erfindungsgemäßen Kurbelwelle
bestehend aus zwei benachbarten Einzelsegmenten 1, 1' dargestellt,
die über
die Stirnflächen
ihrer Pleuellagerzapfenabschnitte 4, 4' vorzugsweise
durch Schweißen
gegeneinander gefügt
sind. Wie in 5 deutlich erkennbar ist, weist das
zum Einzelsegment 1 benachbart angeordnete und mit dem
Einzelsegment 1 verschweißte Einzelsegment 1' im Vergleich
zum Einzelsegment 1 kürzere
Lagerzapfenabschnitte 3', 4' auf, so dass
die Fügeebene 4* bezogen
auf die Längserstreckung
des aus den Pleuellagerzapfenabschnitten 4, 4' gebildeten
Pleuellagerzapfens 40 außermittig angeordnet ist. Dadurch
ist es möglich,
dass der Ölkanal
(5) in der Mitte des Pleuellagerzapfens 40 mündet (nicht sichtbar
in 5), wodurch eine besonders gleichmäßige Ölschmierung über die
gesamte Breite des Pleuellagerzapfens 40 erreicht wird.
Vorliegend ist der Ölkanal 5 ferner
derart angeordnet, dass er auf der Fliehkraftaußenseite des Pleuellagerzapfens 40 mündet.
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In 6 sind
insgesamt drei gegeneinander gefügte
Einzelsegmente 1, 1', 1 dargestellt,
wobei das mittig angeordnete Einzelsegment 1' jeweils über seinen Pleuellagerzapfenabschnitt 4' und seinen Hauptlagerzapfenabschnitt 3' mit den benachbart
angeordneten, zueinander identisch ausgebildeten Einzelsegmenten 1 verbunden
ist. Die Besonderheit der in 6 dargestellten
Ausführungsform
besteht darin, dass die Einzelsegmente 1, 1' in dem von
den Hauptlagerzapfenabschnitten 3, 3' und den Pleuellagerzapfenabschnitten 4, 4' jeweils umschlossenen Hohlräumen jeweils
eine Verstärkung 3c, 3c', 4c, 4c' aufweisen.
Mit den Verstärkungen 3c, 3c', 4c, 4c' kann bei nur
geringem zusätzlichen
Gewicht die mechanische Festigkeit der Kurbelwelle signifikant erhöht werden.
Vorliegend sind die Verstärkungen 3c, 3c', 4c, 4c' derart dimensioniert,
dass sie zusätzliche Fügeflächen bilden,
die vorliegend in den Fügeebenen 3*, 4* liegen.
Erfindungsgemäß können die
Verstärkungen 3c, 3c', 4c, 4c' jedoch auch
derart dimensioniert sein, dass die zusätzlichen Fügeflächen außerhalb der durch die Stirnflächen der
Lagerzapfenabschnitte 3, 3', 4, 4' gebildeten
Fügeebenen 3*, 4* liegen.
Dies hat den Vorteil, dass sich die Schweißnaht bzw. Schweißwulst beim
Reibschweißen
ungehindert ausbilden kann. Denn die Schweißnähte bzw. Schweißwülste der
unterschiedlichen Fügeflächen können dann
nicht miteinander in Kontakt treten und sich behindern.
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In 7 ist
ein Gesenkwerkzeug zum Flachschmieden eines Einzelsegmentes mit
angeschmiedeten Zusatzmaterial im Längsschnitt dargestellt. Zusätzlich ist
ein auf dem Gesenkwerkzeug 6 aufliegender, vorgewalzter
Materialrohling 7 mit definierter Massenvorverteilung dargestellt.
Durch die vorliegend gewählte
Gestaltung der Gravur des Gesenkwerkzeuges 6 mit entsprechenden
Ausnehmungen 300, 300b für den Hauptlagerzapfenabschnitt
und das im Hohlraum des Hauptlagerzapfenabschnittes vorgesehene
Zusatzmaterial ist das Anschmieden des Zusatzmaterials in den Flachschmiedeprozess des
Einzelsegmentes direkt integriert. Der vorgeformte Materialrohling 7,
der für
den Flachschmiedeprozess zwischen das Ober- und Untergesenkwerkzeug
eingebracht wird, verbessert den Materialfluss innerhalb der Gravur
und gewährleistet
eine vollständige
Ausfüllung
der Aussparungen 300, 300b.