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Die
Erfindung betrifft einen Kurbeltrieb für eine Hubkolbenmaschine nach
dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Derartige
Kurbeltriebe mit gebauten Kurbelwellen sind hinlänglich bekannt. Eine derartige
gebaute Kurbelwelle umfasst dabei Haupt- und Hubzapfen sowie diese
verbindende Kurbelwangen. Diese Verbindungsstellen sind Schwachstellen,
so dass gebaute Kurbelwellen nur recht kleine Belastungsdichten
verkraften können.
Insbesondere bei hohen Zylinderdrücken einer Verbrennungskraftmaschine
in Form einer Hubkolbenmaschine mit einer derartigen Kurbelwelle
kommt es zu hohen Torsionsbelastungen der Kurbelwelle, welche bei
einer gebauten Kurbelwelle zu einem Versagen und damit zu kostenintensiven
Reparaturen bzw. zu einem kostenintensiven Austausch der Kurbelwelle
führen.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kurbeltrieb
der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass hohe
Zylinderdrücke
einer Verbrennungskraftmaschine in Form einer Hubkolbenmaschine
mit einem derartigen Kurbeltrieb ermöglicht sind.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Kurbeltrieb für eine Hubkolbenmaschine mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
mit zweckmäßigen und
nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Es
wird vorgeschlagen, Kurbeltriebe einzelner Kurbelräume einer
mehrzylindrigen Verbrennungskraftmaschine nicht direkt über eine
so genannte gebaute Kurbelwelle miteinander zu verbinden, sondern
ein infolge von Verbrennungsvorgängen
in den einzelnen Zylindern entstehendes Drehmoment der Hubkolbenmaschine
zylinderseparat über
eine Nebenwelle abzugreifen und an eine Abtriebsseite der Hubkolbenmaschine
weiterzuleiten.
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Ein
solcher Kurbeltrieb für
eine Hubkolbenmaschine mit zumindest zwei koaxial angeordneten Kurbelwangenelementen,
welche über
ein exzentrisch angeordnetes Zapfenelement verbunden sind, und mit
zumindest einer mittels der Scheibenelemente antreibbaren Welle,
mittels welcher ein Abtriebsmoment der Hubkolbenmaschine in einen
der Hubkolbenmaschine zugeordneten Antriebsstrang einleitbar ist,
zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus,
dass die Welle exzentrisch und parallel zu einer Drehachse der Kurbelwangenelemente
angeordnet ist. Die Welle ist also nicht – wie bekannt – koaxial
zu der Drehachse der Kurbelwangenelemente, sondern exzentrisch zu
dieser angeordnet und über
die Kurbelwangenelemente antreibbar. Die zwei koaxial angeordneten
Kurbelwangenelemente und das diese verbindende Zapfenelement sei
im Folgenden Doppelkurbel genannt.
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Bei
einer Verbrennungskraftmaschine in Form einer Hubkolbenmaschine
mit zumindest zwei Zylindern ist pro Zylinder eine solche Doppelkurbel vorgesehen,
wobei beide Doppelkurbeln koaxial angeordnete Drehachsen aufweisen,
die eine exzentrisch und parallel zu diesen Drehachsen angeordnete
Welle antreiben. Das bedeutet also, dass die Welle die Doppelkurbeln
der jeweiligen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine verbindet.
Bei einer größeren Anzahl
an Zylindern gilt das Gesagte analog. Durch diese Anordnung ist
eine Kraft aus Verbrennungsvorgängen
in den Zylindern auf die Welle übertragbar,
aus der Verbrennungskraftmaschine ausleitbar und somit ein Personenkraftwagen
mit einem derartigen Kurbeltrieb antreibbar. Dabei ist es möglich, dass
das Abtriebsmoment der Hubkolbenmaschine in ein Getriebe des Antriebsstrangs
einleitbar oder zu Rädern
oder einer Achse weiterleitbar ist. Gleichzeitig bleiben die Doppelkurbeln
im Wesentlichen torsionsfrei, wodurch hohe Zylinderdrücke bei drastisch
reduzierter Ausfallwahrscheinlichkeit der Doppelkurbeln ermöglicht sind.
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Dadurch,
dass das Drehmoment der Hubkolbenmaschine zylinderseparat über die
Welle abgreifbar und an die Abtriebsseite der Hubkolbenmaschine weiter-
und in den der Hubkolbenmaschine zugeordneten Antriebsstrang einleitbar
ist, sind Hauptlagerzapfen der Doppelkurbel, die also eine Form
einer gebauten Kurbelwelle darstellt, torsionsmomentenfrei. Bei
einer vorteilhaften symmetrischen Ausleitung des Drehmoments über beide
Kurbelwangenelemente einer Doppelkurbel ist dann auch das Zapfenelement,
welches als Hubzapfen zu bezeichnen ist und von welchem bei einer
Mehrzahl von Doppelkurbeln eine Mehrzahl vorgesehen ist, belastungsoptimiert.
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Bei
diesem Kurbeltrieb erfolgt also eine Einleitung des Abtriebsmoments
der Hubkolbenmaschine bzw. eine Weiterleitung desselbigen an ein
Getriebe des Antriebsstrangs nicht über die Kurbelwelle selbst,
sondern über
die exzentrische Welle, so dass bei einer mehrzylindrigen Verbrennungskraftmaschine
die einzelnen Zylinder quasi unabhängig voneinander oszillieren
können.
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Durch
einen Kurbeltrieb mit einer derartigen Doppelkurbel ist somit eine
gebaute Kurbelwelle realisiert, bei welcher Wälzlager mit einteiligen Lagerringen
einsetzbar sind, womit ein reibleistungsarmer und damit verlustreduzierter
Kurbeltrieb geschaffen ist, woraus ein niedrigerer Kraftstoffverbrauch
und damit niedrigere CO2-Emissionen der
Verbrennungskraftmaschine resultieren. Gleichzeitig sind bei einem
gleichen Bauraum wie bei einer geschmiedeten Kurbelwelle hohe Zylinderdrücke und
somit ein hohes Drehmoment ermöglicht,
das auf die beschriebene Art und Weise über die Doppelkurbel und die
exzentrisch angeordnete Welle übertragbar
ist. Ausfallanfällige
Verbindungsstellen einer gebauten Kurbelwelle, wie sie aus dem Stand
der Technik bekannt ist, sind somit vermieden. Diese Gefahr ist
insbesondere bei dynamischen Überhöhungen infolge
von Torsionsschwingungen einer herkömmlichen Kurbelwelle, die mehrere
Zylinder verbindet, immanent, was durch Torsionsbelastungen zum
Versagen insbesondere von Verbindungsstellen einer gebauten Kurbelwelle, wie
sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, führt. Dies ist bei dem erfindungsgemäßen Kurbeltrieb
mit der erfindungsgemäßen Doppelkurbel
vermieden, da tordierende Momente durch die separate Welle übertragbar
sind. Außerdem
sind belastungstolerante einteilige Leichtmetalllagerstühle ermöglicht,
bei welchen eine Schwachstelle in Form einer Hauptlagerdeckelverschraubung
entfällt.
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Der
erfindungsgemäße Kurbeltrieb
realisiert eine Aufteilung von Aufgaben, und zwar einerseits eine
Transformation einer translatorischen Bewegung eines Kolbens im
Zylinder der Verbrennungskraftmaschine in eine Rotationsbewegung
der Doppelkurbel sowie eine Weiterleitung von Antriebsmomenten einzelner
Zylinder einer Mehrzylinderhubkolbenmaschine. Die Aufgabe der Transformation übernimmt
dabei eine, bei einer Mehrzylinderhubkolbenmaschine mehrere, gebaute
Doppelkurbeln, und zwar eine Doppelkurbel pro Zylinder, welche untereinander
unabhängig
sind. Die Aufgabe der Weiterleitung übernimmt die separate Welle,
die somit eine Form einer Abtriebswelle darstellt. Dadurch sind
die gebauten Doppelkurbeln also im Wesentlichen torsionsfrei und
ebenso haltbar wie eine geschmiedete Kurbelwelle.
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Dabei
ist vorstellbar, dass das Moment von einer Doppelkurbel auf die
Welle beispielsweise über eine
Riemenverbindung oder dergleichen übertragbar ist. Vorteilhafterweise
weist jedoch zumindest ein Kurbelwangenelement eine Außenverzahnung
auf, mittels welcher zumindest ein mit der Welle drehfest verbundenes
Zahnrad und damit die Welle selbst antreibbar ist. Mittels einer
Außenverzahnung
des Kurbelwangenelements und einer korrespondierenden Außenverzahnung
des Zahnrads der Welle sind hohe Momente verlustarm übertragbar,
insbesondere dann, wenn eine Verzahnungsgeometrie auf die Gegebenheiten
in gewünschter
Weise angepasst ist. So kann dabei der Fokus insbesondere auf eine
verlustarme oder aber auf eine geräuscharme oder aber auf einen
Kompromiss der beiden genannten Aspekte ausgelegt sein. Besonders
große
Momente sind dann übertragbar,
wenn beide Kurbelwangenelemente einer Doppelkurbel je eine Außenverzahnung aufweisen,
die mit einer Verzahnung eines oder je eines mit der Welle drehfest
verbundenen Zahnrades korrespondieren zur Übertragung der Momente von der
Doppelkurbel auf die Welle.
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Ein
weiterer vorteilhafter Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das
zumindest eine Zahnrad der Welle und die Welle einstückig ausgebildet
sind. Einerseits birgt dies den Vorteil, dass somit eine Teileanzahl
des Kurbeltriebs und damit Kosten desselbigen reduziert sind, andererseits
ist dadurch eine sehr feste und belastbare Verbindung zwischen dem Zahnrad
und der Welle geschaffen, wodurch hohe Antriebsmomente übertragbar
sind.
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An
dieser Stelle sei angemerkt, dass nichtsdestotrotz die Welle und
das Zahnrad zweiteilig ausgeführt
sein können,
um beispielsweise Lager, insbesondere Wälzlager, zur weiteren Reibleistungsreduktion
verbauen zu können.
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Weist
das Zapfenelement zumindest eine Ringnut auf, so geht damit der
Vorteil einher, dass dadurch eine axiale Festlegung eines Lagers
realisiert ist. Überhaupt
ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung mittels des Zapfenelements ein Lager, insbesondere
ein Pleuellager getragen, wodurch eine Reduzierung einer Reibung
zwischen einem Pleuelauge eines Pleuels, welches mittels des Pleuelauges
auf dem Zapfenelement bzw. auf dem Lager des Zapfenelements gelagert
ist, gegeben ist. Dies bedeutet eine weitere Reduzierung einer Reibleistung
des Kurbeltriebs, wodurch der Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine
weiter absenkbar sind.
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Durch
die zuvor erwähnte
Ringnut des Zapfenelements ist ein derartiges Lager somit auf einfache
und kostengünstige
Weise festlegbar und damit eine axiale Fixierung des Pleuels als
so genannte Untenführung
dargestellt ohne zusätzliche
Elemente zur Realisierung dieser Aufgabe, womit eine weitere Reduzierung
einer Teileanzahl und damit eine Reduzierung der Kosten einhergeht.
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Ist
das Lager, welches mittels des Zapfenelements getragen ist, als
Wälzlager
ausgebildet, so birgt dies den Vorteil, dass dadurch eine besonders reibungsarme
und gleichzeitig belastbare Lagerung geschaffen ist, wodurch also
die Reibleistungsverluste des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs und damit der
Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine
deutlich reduziert sind.
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Das
Wälzlager
kann dabei als Nadelrollenlager ausgebildet sein, oder lediglich
zur Einsparung von Bauraum als Nadelkäfig. Eventuell kann weiterhin
ein Außenring
mit eventuell angeformten Schultern vorgesehen sein, welche das
Lager axial festlegen können.
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Ein
weiterer vorteilhafter, weil reibleistungsreduzierender Aspekt der
Erfindung ist, dass die zumindest zwei Kurbelwangenelemente durch
jeweils ein Lager an einem Lagerstuhl gelagert sind. Daraus ergibt
sich eine Reduzierung der Reibleistung, da somit eine Lagerung der
Kurbelwangenelemente besonders reibungsfrei ermöglicht ist. Damit einher gehen
alle im Zusammenhang mit einer Reduzierung der Reibleistung beschriebenen
Vorteile. Dies ist insbesondere dann erreicht, wenn das Lager als
ein Wälzlager
ausgebildet ist, wobei die Vorteile eines Wälzlagers bereits im Zusammenhang
mit dem Pleuellager beschrieben sind. Dazu sei an dieser Stelle angemerkt,
dass zumindest ein Lager auch als Gleitlager und gegebenenfalls
mittels Lagerschalen ausgebildet sein kann. Wie beschrieben, gehen
aber insbesondere mit einer Ausbildung der Lager als Wälzlager
große
Vorteile bezüglich
einer Reibleistungsreduzierung einher, wodurch ein reibleistungsarmer, wälzgelagerter
Kurbeltrieb dargestellt ist, welcher hohe Verbrennungsdrücke und
somit hohe Wechselmomente verkraftet.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind
zumindest ein Lagerstuhl und ein korrespondierender Lagerstuhldeckel der
Hubkolbenmaschine einteilig ausgebildet. Durch den erfindungsgemäßen Kurbeltrieb
ist also eine einteilige Ausbildung zumindest eines Lagerstuhls
in einem der Hubkolbenmaschine zugeordneten Zylinderkurbelgehäuse ermöglicht.
Das bedeutet, dass ein Einsatz von Hauptlagerdeckeln sowie zu einer Befestigung
derartiger Hauptlagerdeckel notwendigen Hauptlagerschrauben vermieden
ist. Insbesondere im Zusammenhang mit einem Kurbelgehäuse, welches
im Wesentlichen aus einem Leichtmetall gebildet ist, sind derartige
Hauptlagerschrauben lastbegrenzende Elemente, da ein Schraubenende
einer Hauptlagerschraube eine versagensrelevante Kerbstelle in einem
hochbelasteten Zylinderkurbelgehäuse
darstellt.
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Wie
bereits angedeutet, kommen die Vorteile des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs
insbesondere bei einer Verbrennungskraftmaschine zum Tragen, welche
als Hubkolbenmaschine ausgebildet ist, und bei welcher eine Doppelkurbel
pro Zylinder vorgesehen ist, wobei die Welle als eine die Zylinder
verbindende, zu den Drehachsen der Doppelkurbeln parallele und konzentrisch
angeordnete Abtriebswelle ausgebildet ist.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung
genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend
in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine
gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der
jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen
oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen.
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Die
Zeichnungen zeigen in:
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1 eine
perspektivische Ansicht sowie eine Längsschnittansicht einer Doppelkurbel
mit zwei Kurbelwangenelementen, welche über ein zu einer Drehachse
der Doppelkurbel exzentrisch angeordnetes Zapfenelement verbunden
sind;
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2 eine
perspektivische Ansicht sowie eine Seitenansicht einer in einem
Lagerstuhl gelagerten Doppelkurbel gemäß 1 sowie
eine zu einer Drehachse der Doppelkurbel parallel und exzentrisch angeordnete
und von der Doppelkurbel antreibbare Welle; und
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3 zwei
Längsschnittansichten
einer Doppelkurbel gemäß den vorhergehenden
Figuren, die eine vorteilhafte Ausgestaltung und einen vorteilhaften
Montagevorgang beschreiben.
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Während 1 einen
Aufbau einer Doppelkurbel verdeutlicht, zeigt 2 eine
Anordnung einer Abtriebswelle, welche durch eine in einem Lagerstuhl gelagerte
Doppelkurbel gemäß 1 antreibbar
ist. 3 stellt einen Montagevorgang einer derartigen Doppelkurbel
dar.
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1 zeigt
eine Doppelkurbel 10 mit zwei Kurbelwangenelementen 12 und 14,
welche über
einen Hohlhubzapfen 16 und eine Hubzapfenschraube 18 miteinander
verbunden sind. Wie in 1 zu sehen ist, ist dabei der
Hohlhubzapfen 16 exzentrisch zu einer Drehachse 20 der
Kurbelwangenelemente 12 und 14 und damit zu der
Doppelkurbel 10 angeordnet. Von dem Hohlhubzapfen 16 ist
ein Nadelkäfig getragen,
wobei in 1 lediglich Wälzkörper 22 des Nadelkäfigs dargestellt
sind. Ein Außenring 24 mit angeformten
Schultern bildet dabei den Außenring 24 eines
mittels des Nadelkäfigs
und der Wälzkörper 22 gebildeten
Wälzlagers,
mittels welchem ein nicht dargestelltes Pleuel reibungsarm lagerbar
ist.
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Die
Kurbelwangenelemente 12 und 14 weisen je eine
Außenverzahnung 26 und 28 auf,
welche in 1 aus Übersichtsgründen nicht dargestellt sind.
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Darüber hinaus
sind in 1 in die Kurbelwangenelemente 12 und 14 optional
eingepresste Lageraußenringe
nicht dargestellt, jedoch Hauptlagernadelkäfige 30 sowie feststehende
Hauptlagerzapfen 32 samt Hauptlagerschraube 56,
wobei die Hauptlagerzapfen 32 mit Schraube in ihrer Montageposition
gezeigt sind.
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In 2 bezeichnen
gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente wie in 1. 2 zeigt
die Doppelkurbel 10, welche an einem Hauptlagerstuhl 40 gelagert
ist. Zudem ist eine Abtriebswelle 34 dargestellt, welche
mit ihrer Drehachse 42 parallel und exzentrisch zur Drehachse 20 der
Doppelkurbel 10 angeordnet ist und über zwei je eine Außenverzahnung 36 bzw. 38 aufweisende
Zahnräder 44 bzw. 46,
welche jeweils drehfest mit der Welle 34 verbunden sind, über die
Doppelkurbel 10 antreibbar ist. Der genaue Bewegungsablauf
ist der, dass die Doppelkurbel 10 eine translatorische
Bewegung eines nicht dargestellten Kolbens mit einem Pleuel in einem
Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine mit der Doppelkurbel 10 in
eine rotatorische Bewegung transformiert und über die beschriebenen Außenverzahnungen 26 und 28 der Doppelkurbel 10 und
die Außenverzahnungen 36 und 38 der
Zahnräder 44 und 46 die
Abtriebswelle 34 antreibt.
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Wie 2 deutlich
zu entnehmen ist, ist durch die Doppelkurbel 10 somit eine
im Wesentlichen torsionsfreie gebaute Kurbelwelle geschaffen und
infolgedessen ein reibleistungsarmer wälzgelagerter Kurbeltrieb mit
der Doppelkurbel 10 ermöglicht.
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Die
in Längsrichtung
verlaufende und eine Mehrzahl an Zylindern verbindende Abtriebswelle 34 kann
dabei eine Massenausgleichsfunktion übernehmen, wobei eine Übersetzung
zwischen den Außenverzahnungen 26 und 38 bzw. 28 und 36 bei
einer vierzylindrigen Verbrennungskraftmaschine i = 2 und bei einer
dreizylindrigen Verbrennungskraftmaschine i = 1 zu wählen ist.
Ebenso kann die Abtriebswelle 34 auch als Getriebewelle
dienen für
ein in ein Gehäuse der
Verbrennungskraftmaschine integriertes Getriebe.
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3 verdeutlicht
einen Montagevorgang der Doppelkurbel 10. Dabei bezeichnen
gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente wie in den vorhergehenden
Figuren.
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Das
Bezugszeichen 48 bezeichnet Durchgangslöcher und das Bezugszeichen 50 bezeichnet ein
Gewinde.
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In
einem ersten Schritt wird die vormontierte Doppelkurbel 10 gemäß eines
Montage-Richtungspfeils 52 eingefahren.
Anschließend
erfolgt gemäß Montage-Richtungspfeilen 54 ein
Fügen der Lagerzapfen 32 in
entsprechende Passungen, woraufhin ein Anziehen von Hauptlagerschrauben 56 erfolgt
gemäß Montage-Richtungspfeilen 58.
Dadurch sind belastungsoptimale einteilige Lagerstühle möglich, wodurch
bei Verwendung von Hauptlagerdeckeln bei geteilten Lagerstühlen vorhandene Schwachstellen
in Form von Gewinden für
Hauptlagerschrauben in einem Hauptkraftleitungspfad vermieden sind.
Es schließt
sich eine nicht dargestellte Kolben- bzw. Pleuelmontage an, woraufhin
die Abtriebswelle 34, welche in 3 nicht
dargestellt ist, montiert wird.
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Bei
einer mehrzylindrigen Verbrennungskraftmaschine bedeutet dies, dass
die vormontierten Doppelkurbeln in Einzelkurbelräume eingeschoben, und Hauptlagerzapfen
axial in korrespondierende Lagerstühle eingepasst und verschraubt
werden. Ein von einem jeweiligen Pleuel auf einen korrespondierenden
Hubzapfen übertragenes
Moment eines jeden Zylinders wird durch entsprechende Außenverzahnungen
der Kurbelwangenelemente und der Zahnräder der Abtriebswelle direkt
auf die die einzelnen Zylinder verbindende Abtriebswelle übertragen.