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Die
Erfindung betrifft eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine nach
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Kurbelwellen
von Brennkraftmaschinen sind hochbelastete Bauteile, die über
einen sehr weiten Bereich sehr hohen Festigkeitsanforderungen genügen
müssen. Zur Festigkeitssteigerung des Überganges
von Zapfen zu Wangen beziehungsweise zwischen zwei Zapfen ist es
bekannt, diese Übergänge als Kehle mit einem möglichst
großen Radius auszubilden und diese induktiv zu härten.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der
DE 39 16 421 C1 bekannt.
An dieser Ausgestaltung ist nachteilig, dass durch die aus Festigkeitsgründen
erforderliche Ausbildung der Übergangskehlen in einem möglichst großen
Radius die zur Verfügung stehende Laufbahn der Zapfen in
Axialerstreckung verkleinert wird. Aus der
DE 37 44 755 C2 ist daher
bekannt, Kurbelwangenübergänge größer
als Zwischenwangenübergänge auszuführen,
und diese induktiv umfangszuhärten, wobei die Einhärtetiefe
in den Kurbelwangenübergängen größer
als in den Zwischenwangenübergängen ist. Gleichwohl
sind immer noch erhebliche Radien ausgebildet, was dazu führt,
dass die Axialerstreckung der Zapfen nicht in einem möglichst
großen Umfang als Laufbahn genutzt werden kann, beziehungsweise
eine gegebene Laufbahnerstreckung begrenzt den möglichen
Radius und damit die erzielbare Festigkeit. Überdies müssen
Kompromisse hinsichtlich Festigkeit und zur Verfügung stehender Laufbahn
eingegangen werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Kurbelwelle bereitzustellen, die bei
möglichst großer Festigkeit eine möglichst
weitgehende Ausnutzung der Axialerstreckung der Zapfen als Laufbahn
gestattet.
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Hierzu
wird eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, mit
mindestens einem Zapfen und mit mindestens einer daran angrenzenden
Wange, wobei der Übergang zwischen Zapfen und Wange mindestens
einen Radius aufweist. Es ist vorgesehen, dass der Übergang
den genannten, ersten Radius, eine daran angrenzende Tangentenstrecke
und einen an die Tangentenstrecke angrenzenden weiteren, zweiten
Radius aufweist. Anders als im Stand der Technik wird der Übergang
nicht als eine Kehle ausgebildet, die einen gleich bleibenden Radius
aufweist, sondern vielmehr wird der Übergang ähnlich
des Wurzelanlaufes eines Baumes und des Wurzelübergangs
in den Stamm ausgestaltet, in dem ein erster Radius in eine Tangentialstrecke übergeht, also
in eine Gerade, die wiederum vor Erreichen des Zapfens in einen
zweiten Radius übergeht. Auf diese Weise lässt
sich bei gleichbleibender Laufbahnbreite des Zapfens eine Materialverstärkung
im Bereich des Übergangs/der Kehle erreichen, oder, bei
im Wesentlichen gleichem Materialaufwand ung gleicher Festigkeit
eine verbreiterte Laufbahn.
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In
einer weiteren Ausgestaltung schließt die Tangentenstrecke
mit dem Zapfen und mit der Wange jeweils einen stumpfen Winkel ein.
Die Tangentenstrecke führt somit zu einer Art Materialverdickung
im Übergang zu den Radien.
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In
einer weiteren Ausgestaltung sind die stumpfen Winkel gleich groß oder
unterschiedlich groß. Diese Ausgestaltung kann insbesondere
dadurch erreicht werden, dass der Übergang in die Tangentialstrecke
von den einzelnen Radien an unterschiedlichen Punkten der von den
Radien begrenzten Kreisbahnen erfolgt. Hierdurch kann der Kraftverlauf
vorteilhaft gesteuert werden.
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In
einer anderen Ausführungsform sind die beiden Radien gleich
groß oder unterschiedlich groß. Auch hier kann
die Krafteinleitung und der Kraftverlauf den Anforderungen entsprechend
in weiten Bereichen vorteilhaft gesteuert werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist der Zapfen ein Kurbelzapfen
und/oder ein Wellenzapfen. Hiermit sind erfindungsgemäß Übergänge
entweder nur an Kurbelzapfen, nur an Wellenzapfen oder an beiden
erfasst. Je nach Ausgestaltung der Kurbelwelle entsprechend der
jeweiligen Anforderungen und nach Ausgestaltung der Lagerung der
Kurbelwelle können die erhöhten Festigkeitsanforderungen oder
die vergrößerten Laufbahnen an unterschiedlichen
Stellen erforderlich werden oder auftreten. Dementsprechend werden
die erfindungsgemäßen Übergänge
an Kurbelzapfen, Wellenzapfen oder an beiden ausgebildet.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist die Wange eine Kurbelwange
und/oder eine Kröpfungswange. Eine Kurbelwange ist hierbei
eine solche, die einen Kurbelzapfen mit einem Wellenzapfen verbindet,
also mit einer Lagerstelle der Kurbelwelle oder einem umgelagerten
Wellenzapfen, während eine Kröpfungswange eine
solche ist, die zwischen zwei Hubzapfen angeordnet ist.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen
und aus Kombinationen derselben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Die
Figur zeigt einen Übergang zwischen einem Zapfen und einer
Wange.
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Die
Figur zeigt einen Abschnitt einer nicht näher dargestellten
Kurbelwelle 1, nämlich einen Übergang 2 zwischen
einem Zapfen 3 und einer an diesen angrenzenden Wange 4.
Der Zapfen 3 ist hierbei ein Wellenzapfen 5; in
anderen Ausführungsformen kann er selbstverständlich
aber auch als Kurbelzapfen ausgebildet sein. Der Übergang 2 weist
einen ersten Radius R1 auf, der, ausgehend
von einem ersten Kreiszentrum 6, in eine zapfenseitige
Wangenwandung 7 an dem dem Zapfen 3 entfernt liegenden
Ende des Überganges 2 eintritt. Das erste Kreiszentrum 6 liegt
hierbei in einem Luftraum oberhalb des Übergangs 2.
Durch den ersten Radius R1 wird eine erste
Kreisumfangsbahn 9 definiert, die tangential zu der die
zapfenseitige Wangenwandung 7 verläuft. An einem
ersten Übergangspunkt 8 verlässt die Kontur
des Übergangs 2 die vom ersten Radius R1 definierte, erste Kreisumfangsbahn 9 und
geht in eine tangential im ersten Übergangspunkt 8 in
diese eintretende Tangentenstrecke 10 über. An
einem zweiten Übergangspunkt 11 mündet
die Tangentenstrecke 10 in eine zweite Kreisumfangsbahn,
die, ausgehend von einem zweiten Kreiszentrum 13, von einem zweiten
Radius R2 beschrieben wird. Diese zweite Kreisumfangsbahn 12 verläuft
kreisförmig bis zu einem Laufbahnschnittpunkt 14,
in dem sie tangential in eine Laufbahn 15 des Zapfens 3 mündet.
Das zweite Kreiszentrum 13 liegt hierbei in dem Luftraum oberhalb
des Zapfens 3, nämlich in einer rechtwinklig auf
der Laufbahn 15 stehenden Schnittebene X durch den Laufbahnschnittpunkt 14.
Die Tangentenstrecke 10 schließt mit der Wange 4 hierbei
einen ersten Winkel α ein, der ein stumpfer Winkel 21 ist.
Tangentenstrecke 10 und Laufbahn 15 schließen
einen zweiten Winkel β ein, der ebenfalls ein stumpfer
Winkel 21 ist. Der erste Winkel α und der zweite
Winkel β können hierbei gleich groß oder
unterschiedlich groß sein, in Abhängigkeit von
der Steilheit, die die Tangentenstrecke 10 relativ zur
Laufbahn 15 beziehungsweise zur zapfenseitigen Wangenwandung 7 aufweisen soll.
Zum Vergleich mit dem Stand der Technik ist noch die bisher geläufige
Ausführungsform des Übergangs 2 dargestellt,
nämlich mittels eines Einzelradius Ra.
Der Einzelradius Ra bildet eine Übergangskehle 16 im
Wesentlichen als eine Übergangskehlenkreisumfangsbahn 17 auf
dem Einzelradius Ra. Im Vergleich zu der
aus dem Stand der Technik bekannten Ausführung mittels
der Übergangskehle 16 steht erfindungsgemäß bei
gleicher Laufbahnbreite bL, also der zur
Verfügung stehenden Laufbahn 15 bis zu einem Laufbahnbeginn 18,
der durch den Laufbahnschnittpunkt 14 als Schnittpunkt
zwischen Laufbahn 15 und Übergang 2 definiert
ist, im Übergang 2 wangenseitig der Tangentenstrecke 10 ein
Zusatzvolumen 19 an Kurbelwellenmaterial 20 zur
Verfügung, das eine deutliche Versteifung und einen deutlichen Festigkeitsgewinn
gegenüber den aus den aus dem Stand der Technik bekannten
Ausführungsformen mit dem Einzelradius Ra und
der Ausbildung der Übergangskehle 16 bewirkt.
Die Ausführungsform lässt sich vorteilhaft auch
in umgekehrter Weise einsetzen, nämlich dadurch, dass der
Laufbahnbeginn 18 zur Wange 4 hin verschoben wird,
wodurch sich eine größere Laufbahn 5,
nämlich eine größere Laufbahnbreite bL ergibt. Durch die Schaffung des Zusatzvolumens 19 im Übergang 2 zwischen
Wange 4 und Zapfen 3 lässt sich nämlich
eine besonders vorteilhafte Krafteinleitung und ein besonders vorteilhafter
Kräfteverlauf realisieren, sodass die Ausbildung der Übergangskehle 16 mit
dem einzelnen, großen Einzelradius Ra nicht
erforderlich ist, wodurch der für die Ausbildung der Übergangskehle 16 im
Stand der Technik erforderliche Bauraum eingespart werden kann,
dadurch, dass zwei kleinere Radien, nämlich der erste Radius
R1 wangenseitig und ein ebenfalls kleinerer
zweiter Radius R2 zapfenseitig mit der zwischen
ihnen liegenden Tangentenstrecke 10 eingesetzt werden.
Selbstverständlich ist es auch möglich, mehr als
nur zwei Radien R1 und R2,
beispielsweise noch einen (hier nicht dargestellten) dritten Radius
zu verwenden oder die vorliegend von dem ersten Radius R1 und dem zweiten Radius R2 beschriebene
erste Kreisumfangsbahn 9 beziehungsweise zweite Kreisumfangsbahn 12 in
Form von hier nicht dargestellten Ellipsenbahnen oder in anderer
geometrischer Weise auszubilden, die eine für den jeweiligen
Anwendungsfall besonders geeignete Krafteinleitung hinsichtlich
der Tangentenstrecke 10 zulässt.
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- 1
- Kurbelwelle
- 2
- Übergang
- 3
- Zapfen
- 4
- Wange
- 5
- Wellenzapfen
- 6
- erstes
Kreiszentrum
- 7
- zapfenseitige
Wangenwandung
- 8
- erster Übergangspunkt
- 9
- erste
Kreisumfangsbahn
- 10
- Tangentenstrecke
- 11
- zweiter Übergangspunkt
- 12
- zweite
Kreisumfangsbahn
- 13
- zweites
Kreiszentrum
- 14
- Laufbahnschnittpunkt
- 15
- Laufbahn
- 16
- Übergangskehle
- 17
- Übergangskehlenkreisumfangsbahn
- 18
- Laufbahnbeginn
- 19
- Zusatzvolumen
- 20
- Kurbelwellenmaterial
- 21
- stumpfer
Winkel
- R1
- erster
Radius
- R2
- zweiter
Radius
- Ra
- Einzelradius
- bL
- Laufbahnbreite
- X
- Schnittebene
- α
- erster
Winkel
-
β
- zweiter
Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3916421
C1 [0002]
- - DE 3744755 C2 [0002]