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Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle für Hubkolbenmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es ist allgemein bekannt, dass Kurbelwellen die Bewegung eines Kolbens entlang der Mittelachse des Zylinders in eine rotierende Bewegung umwandeln sollen. Eine derartige Kurbelwelle weist üblicherweise Wellenzapfen auf, die in Hauptlagern laufen und die Drehachse der Welle definieren. Ferner weist eine Kurbelwelle Hubzapfen auf, die die Pleuelstangen aufnehmen. Die Verbindung zwischen den Hubzapfen und den Wellenzapfen erfolgt über Kurbelwangen. Um die durch die exzentrisch angeordneten Hubzapfen auftretende Unwucht auszugleichen, sind an den Kurbelwangen Gegengewichte angeordnet bzw. ausgebildet, die eine Auswuchtmasse ausbilden.
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In der 1 ist schematisch und beispielhaft ein Ausschnitt aus einer herkömmlichen Kurbelwelle gezeigt, in der der Hubzapfen H zwischen zwei Kolbenwangen K verläuft, und zwar exzentrisch zur Mittelachse M der Kurbelwelle. An den Wangen K ist ferner exzentrisch zur Mittelachse M jeweils ein Gegengewicht G angeordnet, das in der, durch den um die Mittelachse M gezeichneten Pfeil dargestellten, Kurbelwellendrehrichtung R jeweils eine bei einer Kurbelwellenumdrehung radial umlaufende Stirnfläche F aufweist. Diese tangentialen Stirnflächen F führen bei einer Drehung der Kurbelwelle in Drehrichtung R zu einem relativ großen Strömungswiderstand im umgebenden Medium, in der Regel ein Luft-Öl-Gemisch im Kurbelgehäuse, was regelmäßig zu erheblichen Luftverwirbelungen im Kurbelgehäuse und damit auch zu einem Anstieg des Bremsmomentes führt. Durch die Luftverwirbelung in dem Kurbelgehäuse kommt es zum anderen zu einer Vermischung der Blow-By-Gase mit Schmieröl, wodurch sich zudem ein zusätzlicher erhöhter Ölverbrauch ergibt.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, ist es aus der
EP 0 237 718 B1 bereits bekannt, an den Gegengewichten integrale, aerodynamisch günstige Strukturen auszubilden. Konkret ist hier vorgesehen, den radial unteren, seitlichen Randbereich des Gegengewichtes keilförmig zu verjüngen.
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Ein ähnlicher Aufbau ist auch aus der
WO 03/029701 A1 bekannt. Auch dort sind an den, Randumlaufkanten der Gegengewichte integral damit ausgebildete, aerodynamische Kanten vorgesehen (
7).
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Die integrale Ausbildung von randseitigen Verjüngungen an Gegengewichten ist zudem auch aus der
US 7,021,268 B1 bekannt.
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Diese zuvor gezeigten Maßnahmen weisen allesamt den Nachteil auf, dass mit der Formänderung gleichzeitig auch ein Masseverlust der Gegengewichte verbunden ist, der durch Vergrößerung des Gegengewichtes insgesamt ausgeglichen werden muss. Dies kann bei zu engen Platzverhältnissen im Kurbelgehäuse gegebenenfalls zu Problemen führen, so dass in diesem Fall zum Beispiel auch ein Massenausgleich außerhalb des Kurbelgehäuses vorgesehen werden muss.
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Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kurbelwelle für Hubkolbenmaschinen mit strömungstechnisch günstig bzw. aerodynamisch günstig gestalteten Gegengewichten zur Verfügung zu stellen, die keinen Masseverlust der Gegengewichte zur Folge haben und gleichzeitig einen nach wie vor einfachen und funktionssicheren Aufbau aufweisen.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß Anspruch 1 ist eine Kurbelwelle für Hubkolbenmaschinen mit wenigstens einem, exzentrisch zur Kurbelwellenmittelachse an einer Wange der Kurbelwelle angeordneten und eine Auswuchtmasse für eine definierte Unwucht ausbildenden Gegengewicht vorgesehen, das in Kurbelwellendrehrichtung eine bei einer Kurbelwellenumdrehung radial umlaufende Stirnfläche aufweist, die ein Element aufweist, mit dem der Strömungswiderstand in einem die Kurbelwelle umgebenden Medium reduziert wird. Erfindungsgemäß ist das den Strömungswiderstand reduzierende Element durch ein zusätzliches, auf der radial umlaufenden Stirnfläche angeordnetes Bauteil gebildet, dessen Masse deutlich geringer ist als die des Gegengewichts, so dass die durch das Gegengewicht ausgebildete Auswuchtmasse durch das Bauteil nicht oder nur unwesentlich beeinflusst bzw. beeinträchtigt wird.
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Mit einem derartigen zusätzlichen, den Strömungswiderstand reduzierenden Bauteil kann auf einfache und funktionssichere Weise der Strömungswiderstand der Stirnflächen ohne Masseverlust der Gegengewichte realisiert werden, so dass keine zusätzlichen, den Masseverlust ausgleichenden, aufwendigen Ausgleichsmaßnahmen an den Gegengewichten selbst vorgenommen werden müssen.
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Des Weiteren kann die Gewichtsverteilung der Gegengewichte ohne Rücksicht auf die Form der Gegengewichte optimiert werden. Dadurch ergeben sich wesentliche konstruktive Freiheitsgrade bei der Konstruktion von Kurbelwellen.
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Die den Strömungswiderstand reduzierenden Bauteile können dabei auf einfache Weise auf die Stirnflächen aufgesetzt werden, zum Beispiel aufgeklebt oder auch angegossen werden. Mit einer derartigen baulichen Maßnahme können die Luftverwirbelungen im Kurbelgehäuse reduziert werden, wodurch auch die Schmierölverdünnung mit den Blow-By-Gasen sinkt, das heißt, dass sich das Schmieröl der Kurbelwellen- und Pleuellager weniger mit den Blow-By-Gasen vermischt, wodurch der Ölverbrauch sinkt. Des Weiteren wird mit der erfindungsgemäßen Lösung auch das Bremsmoment der Kurbelwelle infolge des geringeren Strömungswiderstandes der Gegengewichte reduziert.
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Des Weiteren ist die erfindungsgemäße Lösung mit den zusätzlichen, auf die Stirnfläche aufsetzbaren, den Strömungswiderstand reduzierenden Bauteilen kostengünstig durchzuführen, da zum Beispiel in Verbindung mit den nachfolgend noch näher beschriebenen konkreten Ausgestaltungen preiswerte Materialien, wie zum Beispiel Kunststoffmaterialien, Verwendung finden können.
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Gemäß einer ersten konkreten Erfindungsvariante ist vorgesehen, dass das den Strömungswiderstand reduzierende Bauteil im auf die Stirnfläche aufgesetzten Zustand zusammen mit dem Gegengewicht eine im Wesentlichen zylindrische, insbesondere kreiszylindrische, Außenkontur ausbildet. Eine derartige, bevorzugt keine Stufen oder Kanten aufweisende, scheibenartige Außenkontur ist besonders widerstandsarm. Unter einer zylindrischen Außenkontur wird dabei nicht nur eine kreiszylindrische Außenkontur verstanden, sondern in einem weiteren, umfassenderen Sinne jede eine zylindrische Hüllkurve aufweisende Außenkontur, also zum Beispiel auch ovale Formen oder dergleichen, die keine radial umlaufenden, schaufelartigen Stirnflächen aufweisen bzw. ausbilden.
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Gemäß einer konkreten Ausgestaltung hierzu ist vorgesehen, dass das Gegengewicht zwei von einer Kurbelwellenwange auf gegenüberliegenden Wangenseiten wegragende Stirnflächen aufweist, während das den Strömungswiderstand reduzierende Bauteil im Wesentlichen eine U-Form aufweist, das sich mit den freien U-Schenkelenden an den Stirnflächen unter Ausbildung einer im Wesentlichen zylindrischen Außenkontur abstützt. Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausgestaltung, bei der das den Strömungswiderstand reduzierende, U-förmige Bauteil die Kurbelwellenwange im Wesentlichen formschlüssig umgreift. Mit einem derartigen formschlüssig umgreifenden Bauteil wird eine funktionssichere Festlegung des Bauteils an der Wange bzw. am Gegengewicht möglich. Zudem ergibt sich hier dann die strömungstechnisch besonders günstige vollflächige Scheibenform. Ferner versteht es sich, dass das den Strömungswiderstand reduzierende Bauteil auch in seiner Breitenerstreckung so auf die Stirnflächen abgestimmt ausgebildet ist, dass sich dort im Wesentlichen keine Kanten oder Stufen ausbilden, die Luftverwirbelungen erzeugen können.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindungsidee ist vorgesehen, dass das die Strömungswiderstand reduzierende Bauteil durch eine sich nach oben, von der Stirnfläche weg verjüngende und wenigstens einen Teilbereich der Stirnfläche überdeckende Stirnflächenkappe gebildet ist. Eine derartige Stirnflächenkappe kann einfachst auf die jeweils zugeordnete Stirnfläche aufgesetzt werden und lässt sich besonders platzsparend verbauen sowie materialsparend herstellen, zum Beispiel aus einem preiswerten und leichten Kunststoffmaterial.
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Zusätzlich besteht die Möglichkeit, den Strömungswiderstand dadurch weiter zu senken, dass auch auf den gegen den Strömungswiderstand radial umlaufenden Stirnflächen der den Hubzapfen tragenden Wangen den Strömungswiderstand mindernde Bauteile z. B. in Form von Stirnflächenkappen angeordnet sind.
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Die Stirnflächenkappen verjüngt sich gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung im Wesentlichen keilförmig, insbesondere doppelkeilförmig, oder schneidenförmig nach oben, wodurch eine besonders cw-Wert optimierte Ausgestaltung der den Strömungswiderstand reduzierenden Bauteile möglich wird.
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Wie bereits zuvor ausgeführt, kann das den Strömungswiderstand reduzierende Bauteil fertigungstechnisch vorteilhaft aus einem preiswerten und leichten Kunststoffmaterial hergestellt sein. Alternativ dazu kann das den Strömungswiderstand reduzierende Bauteil aber auch aus einem Leichtmetall gefertigt sein, zum Beispiel aus Aluminium. Auch Materialmixe sind grundsätzlich möglich. Des Weiteren ist es auch möglich, anstelle von Kunststoff oder Leichtmetall das gleiche Material zu verwenden, wie bei den Gegengewichten, solange in diesem Fall sichergestellt ist, dass diese zum Beispiel als Hohlkörper und mit einer deutlich geringeren Masse ausgebildet sind als die die Ausgleichsmasse ausbildenden Gegengewichte.
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Zur Festlegung des den Strömungswiderstand reduzierenden Bauteils kommen grundsätzlich sämtliche bekannten Befestigungsverfahren in Frage, also zum Beispiel kraftschlüssige, formschlüssige oder stoffschlüssige Verbindungen. Auch Mischformen sind selbstverständlich möglich.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch einen Kurbelwellenausschnitt gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine perspektivische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
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3 eine Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß 2,
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4 eine schematische Seitenansicht der Ausführungsform nach 2,
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5 schematisch und perspektivisch eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindungsidee in auseinandergezogener Darstellung,
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6 die Ausführungsform gemäß 5 im fertig montierten Zustand,
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7 eine Draufsicht entlang des Pfeils A in 6.
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In 2 ist eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform einer Kurbelwelle 1 gezeigt, die einen zwischen zwei Wangen 3 angeordneten, exzentrisch zur Kurbelwellenmittelachse 4 angeordneten Hauptzapfen 2 aufweist. An den Wangen 3 ist ferner ebenfalls exzentrisch zur Kurbelwellenmittelachse 4 jeweils ein Gegengewicht 5 angeordnet, das eine Auswuchtmasse für eine definierte Unwucht ausbildet. Die Gegengewichte 5 sind hier lediglich beispielhaft integral mit den Wangen 3 ausgebildet. Selbstverständlich können diese in an sich bekannter Weise auch durch separate, mit den Wangen 3 verbindbare Bauteile ausgebildet sein.
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Die Drehrichtung der Kurbelwelle 1 ist hier mit dem Pfeil 6 angegeben.
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Um zu vermeiden, dass die in Kurbelwellendrehrichtung bei einer Kurbelwellenumdrehung in Pfeilrichtung 6 radial umlaufende Stirnfläche 7 einen, ein zu hohes Bremsmoment auf die Kurbelwelle 1 bzw. unerwünschte Luftverwirbelungen bewirkenden Strömungswiderstand im hier nicht dargestellten Kurbelwellengehäuse aufweist, ist auf die in der Bildebene der
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2 rechten Stirnflächen 7 der Gegengewichte 5 jeweils eine zum Beispiel aus einem Kunststoffmaterial gefertigte Stirnflächenkappe 8 aufgesetzt, zum Beispiel aufgeklebt. Diese Stirnflächenkappe 8 weist eine sich nach oben, von der Stirnfläche 7 weg verjüngende Geometrie auf und überdeckt die Stirnfläche 7 vollständig, das heißt erstreckt sich von einem Wangenseitenbereich bis zum freien Ende der Stirnfläche 7.
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Mit derartigen Stirnflächenkappen 8 wird bei einer Kurbelwellendrehung in Richtung des Pfeils 6 der Strömungswiderstand der Stirnflächen 7 deutlich reduziert, so dass das Bremsmoment auf die Kurbelwelle 1 erniedrigt und die auftretenden Luftverwirbelungen verringert werden können.
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Zusätzlich besteht die Möglichkeit, den Strömungswiderstand dadurch weiter zu senken, dass auch auf den gegen den Strömungswiderstand radial umlaufenden Stirnflächen 16 der den Hubzapfen 2 tragenden Wangen 3 den Strömungswiderstand mindernde Stirnflächenkappen 15 angeordnet sind. Diese Ausgestaltungsalternative ist in 2 an einer der Wangen 3 mit gestrichelten Linie angedeutet. Selbstverständlich hat man sich bei dieser Ausführungsform alle entsprechenden Stirnflächen 16 mit entsprechenden Stirnflächenkappen 15 versehen vorzustellen.
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Im Querschnitt betrachtet weist die Stirnflächenkappe 8, wie dies zum Beispiel aus der eine Seitenansicht der 2 zeigenden 4 ersichtlich ist, eine im Wesentlichen schneidenartige Kontur auf, wobei die Stirnflächenkappe 8 von einem stirnflächenseitigen, bauchigen Bereich mit einer definierten Rundung in die Schneidenform übergeht. Selbstverständlich lässt sich diese Ausgestaltungsform auch auf die Stirnflächenkappen 15 anwenden.
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In der 3 ist eine Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß 2 gezeigt.
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In den 3 und 4 sind ferner noch lediglich schematisch und beispielhaft Hauptlagerstummel 9 angedeutet.
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Es versteht sich von selbst, dass bei einer Kurbelwellendrehrichtung, die derjenigen des Pfeils 6 entgegengesetzt ist, die hier in der 2 auf die rechten Stirnflächen 7 aufgesetzten Stirnflächenkappen 8 auf die dann linken Stirnflächen 7 aufgesetzt werden.
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In den 5 bis 7 ist schließlich eine alternative, zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindungsidee gezeigt, bei der gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 2 bis 4 ist hier das den Strömungswiderstand reduzierende Bauteil durch ein U-Element 10 aus zum Beispiel einem Kunststoffmaterial gebildet, das mit seinen U-Schenkeln 11, 12 und mit seiner U-Basis 13 die Wange 3 von oben und von der Seite her dergestalt formschlüssig umgreift (6), dass sich die freien U-Schenkelenden auf den Stirnflächen 7 abstützen und die Wange 3 insgesamt eine im Wesentlichen kreiszylindrische, scheibenartige Außenkontur 14 aufweist, die besonders strömungswiderstandsarm ist.
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Wie dies insbesondere auch aus der 7, die eine Draufsicht in Pfeilrichtung A der 6 zeigt, ersichtlich ist, weist das U-Element 10 eine gleiche Materialstärke auf wie die Wange 3 bzw. das damit ausgebildete Gegengewicht 5, so dass sich im randseitigen Bereich keine Strömungsverwirbelungen erzeugenden Kanten oder Stufen ausbilden.
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Auch hier kann das U-Element 10 zum Beispiel wieder durch eine Klebeverbindung mit der Wange 3 bzw. dem Gegengewicht 5 verbunden werden.
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In beiden zuvor beschriebenen Ausführungsformen wird somit ein leichtes und die Auswuchtmasse nicht beeinflussendes Kunststoffelement auf die Stirnflächen 7 aufgesetzt, wodurch sich die zuvor genannten Vorteile hinsichtlich Strömungswiderstand und Gegengewichtgestaltung ergeben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kurbelwelle
- 2
- Hauptzapfen
- 3
- Wangen
- 4
- Kurbelwellenmittelachse
- 5
- Gegengewicht
- 6
- Pfeil
- 7
- Stirnfläche
- 8
- Stirnflächenkappe
- 9
- Hauptlagerstummel
- 10
- U-Element
- 11
- U-Schenkel
- 12
- U-Schenkel
- 13
- U-Basis
- 14
- scheibenartige Außenkontur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0237718 B1 [0004]
- WO 03/029701 A1 [0005]
- US 7021268 B1 [0006]
