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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Kurbelwellen von Brennkraftmaschinen sind in Haupt- oder Wellenlagern eines Zylinderkurbelgehäuses gelagert. Bei den Haupt- oder Wellenlagern handelt es sich gewöhnlich um Gleitlager, die ein gewisses Lagerspiel aufweisen müssen, so dass sich zwischen der Lagerschale und dem Wellenzapfen ein Schmierfilm aufbauen kann. Das Lagerspiel, d. h. die Differenz zwischen dem Innendurchmesser einer Lagerschale des Gleitlagers und einem Außendurchmesser eines Wellenzapfens der Kurbelwelle, beträgt gewöhnlich zwischen 0,03 mm und 0,08 mm. Infolge dieses Lagerspiels ist die Kurbelwelle in jedem Haupt- oder Wellenlager um ein entsprechendes Maß radial beweglich. Während des motorischen Betriebs wandert der Wellenzapfen, getrieben durch die auf ihn einwirkenden äußeren Kräfte, entlang der so genannten Verlagerungsbahn. Diese Verlagerungsbahn ist für jedes Haupt- oder Wellenlager, jeden Lastfall und jede Drehzahl verschieden. Äußere Kräfte entstehen zum Beispiel infolge der Zündung der Verbrennungsgase in benachbarten Zylindern und die dadurch über die benachbarten Pleuel auf den Wellenzapfen einwirkenden seitlichen Stoßkräfte oder durch Riemenzug-, Kettenzug- oder Massenkräfte. Wenn es dabei zu einer abrupten Lageveränderung des Wellenzapfens kommt, die mit einem heftigen Aufschlagen des Wellenzapfens auf die gegenüberliegende Lagerschale kommt, führt dies zu Klopf- oder Poltergeräuschen, die als Kurbelwellenklopfen oder Kurbelwellenpoltern bezeichnet werden. Diese Störgeräusche treten erfreulicherweise nur eng begrenzt bei bestimmten Drehzahlen und Lasten auf, wobei die als Kurbelwellenklopfen bezeichneten Anschlaggeräusche vor allem bei niedrigen Drehzahlen, zum Beispiel im Leerlauf der Brennkraftmaschine auftreten, während die als Kurbelwellenpoltern bezeichneten Störgeräusche eher bei mittleren Drehzahlen auftreten. Beide Arten von Störgeräuschen können beim Fahrer des Kraftfahrzeugs zu einer Verunsicherung hinsichtlich des Vorhandenseins eines Motorschadens führen, weshalb die Verpflichtung besteht, derartige Störgeräusche nach Möglichkeit zu vermeiden.
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Zur aktiven Beeinflussung einer Geräuschkulisse einer Brennkraftmaschine mit einer rotierenden Kurbelwelle wurde in der
DE 198 26 170 C1 bereits vorgeschlagen, die Einspannverhältnisse zwischen einem Wellenlager der Kurbelwelle und der Kurbelwelle zu verändern, zum Beispiel in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine oder vom Kurbelwellenwinkel. Jedoch ist dieses Verfahren sehr aufwändig.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass als Kurbelwellenklopfen oder Kurbelwellenpoltern bezeichnete akustische Störgeräusche vermieden werde können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens eines der Haupt- oder Wellenlager eine Lagerachse aufweist, die in Bezug zu den Lagerachsen der übrigen Haupt- oder Wellenlager exzentrisch ist.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass akustische Störgeräusche in den Haupt- oder Wellenlagern der Kurbelwelle nur dort auftreten können, wo zwischen den Wellenzapfen der Kurbelwelle und den Lagerschalen der Haupt- oder Wellenlager ein ausreichend großes Lagerspiel vorhanden ist, so dass es bei einem Auftreten von radialen Stoßkräften zu einer seitlichen Auslenkung der Kurbelwelle in Richtung der Stoßkräfte und dadurch zu einem Anschlagen eines benachbarten Wellenzapfens der Kurbelwelle gegen die zur Lagerung dieses Wellenzapfens dienende Lagerschale kommen kann. Umgekehrt können damit die infolge des Anschlagens erzeugten Störgeräusche vermieden werden, wenn erfindungsgemäß mindestens eines der Haupt- oder Wellenlager der Kurbelwelle eine Lagerachse aufweist, die in Bezug zu den Lagerachsen der übrigen Haupt- oder Wellenlager bzw. in Bezug zur Drehachse der Kurbelwelle exzentrisch ist. Durch die Exzentrizität der Lagerachse mindestens eines der Haupt- oder Wellenlager der Kurbelwelle kann segmentiell das Lagerspiel beseitigt und damit das Anschlagen des betreffenden Wellenzapfens gegen die zugehörige Lagerschale vermieden werden.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass nur ein einziges der Haupt- oder Wellenlager der Kurbelwelle eine exzentrische Lagerachse besitzt, das heißt eine Lagerachse, die zu den fluchtenden Lagerachsen der übrigen Haupt- oder Wellenlager einen Parallelversatz aufweist. Es hat sich nämlich gezeigt, dass durch diese Maßnahme sowohl die als Kurbelwellenklopfen und die als Kurbelwellenpoltern bezeichneten Störgeräusche weitestgehend beseitigt werden können.
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Um die als Kurbelwellenklopfen bezeichneten Störgeräusche am wirkungsvollsten zu verhindern, ist das Haupt- oder Wellenlager mit der exzentrischen Lagerachse vorzugsweise ein äußeres Haupt- oder Wellenlager, in dem eines von zwei entgegengesetzten Stirnenden der Kurbelwelle gelagert ist. Am besten ist das Haupt- oder Wellenlager mit der exzentrischen Lagerachse das erste Haupt- oder Wellenlager, d. h. das Haupt- oder Wellenlager an dem von einem Schwungradflansch abgewandten Stirnende der Kurbelwelle, weil dort häufig ein Schwingungsdämpfer vorgesehen ist, der ähnlich wie ein Lautsprecher durch die im benachbarten Haupt- oder Wellenlager erzeugten Anschlaggeräusche angeregt wird, diese Anschlaggeräusche verstärkt und in Form von hörbaren Störgeräuschen nach außen abstrahlt.
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Um das Lagerspiel in dem Haupt- oder Wellenlager mit der exzentrischen Lagerachse zu beseitigen, beträgt die Exzentrizität der exzentrischen Lagerachse vorzugsweise etwa die Hälfte des Lagerspiels, gemessen in Bezug zu den Lagerachsen der übrigen Haupt- oder Wellenlager. Die Exzentrizität liegt damit ca. bei der Hälfte des Lagerspiels der Haupt- oder Wellenlager, bei denen es sich vorzugsweise um Gleitlager handelt.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die exzentrische Lagerachse in Bezug zu den Lagerachsen der übrigen Haupt- oder Wellenlager in einer Richtung versetzt ist, die entgegengesetzt zu der Stoßrichtung eines bei der Zündung von Verbrennungsgasen in einem benachbarten Zylinder auf die Kurbelwelle ausgeübten Zündstoßes ist. Mit anderen Worten liegt die Exzentrizität der exzentrischen Lagerachse in einer Ebene mit der Stoßkraft, die zum Anlagewechsel des Wellenzapfens im Lager führt. Die Stoßkraft rührt vorzugsweise vom Zündschlag auf Kolben und Pleuel eines benachbarten Zylinders her. Weiteren Einfluss auf die Stoßrichtung nehmen Riemenzug-, Kettenzug- oder Massenkräfte, z. B. infolge von Gegengewichten der Kurbelwelle.
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Mit anderen Worten wird die Lagerachse des exzentrischen Haupt- oder Wellenlagers in einer Richtung verschoben, die zu dem Anlagewechsel des Wellenzapfens dieses Haupt- oder Wellenlagers entgegengerichtet ist. Das heißt, die Exzentrizität oder Verschiebung der Lagerachse des Haupt- oder Wellenlagers weist eine Richtung auf, die zur Richtung der Stoßkräfte entgegengesetzt ist, welche infolge der Zündung der Verbrennungsgase im benachbarten Zylinder über dessen Pleuel auf die Kurbelwelle übertragen werden und zum Teil auf den Wellenzapfen einwirken. Wenn diese Stoßkräfte in den Wellenzapfen eingeleitet werden, liegt dieser durch die genannte Verschiebung bereits auf der zur Richtung der Stoßkräfte entgegengesetzten Seite des Haupt- oder Wellenlagers allgemein spielfrei gegen dessen Lagerschale an, so dass es nicht mehr zu einem Anschlagen des Wellenzapfens gegen die Lagerschale und somit auch nicht mehr zu Störgeräuschen kommen kann.
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Dort, wo es sich bei den Haupt- oder Wellenlagern um Gleitlager handelt, die eine in eine Lagerbohrung eines Lagerstuhls eines Zylinderkurbelgehäuses der Brennkraftmaschine eingesetzte Lagerschale umfassen, erfolgt die Umsetzung des erfindungsgemäßen Konzepts bevorzugt dadurch, dass die Lagerbohrungen in sämtlichen Lagerstühlen fluchtende Bohrungsachsen aufweisen, so dass sie in einem Arbeitsgang in das Zylinderkurbelgehäuse eingebracht werden können. In diesem Fall wird die Lagerschale für das Haupt- oder Wellenlager mit der exzentrischen Lagerachse so ausgebildet, dass ihre zylindrische äußere Umfangsfläche und ihre zylindrische innere Umfangsfläche parallel versetzte Längsmittelachsen aufweisen und infolgedessen die Wanddicke der Lagerschale entlang ihres Umfangs variiert. Die Lagerschalen für die übrigen Haupt- oder Wellenlager werden hingegen in konventioneller Weise mit koaxialen inneren und äußeren Umfangsflächen versehen.
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Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, die Lagerbohrung des Haupt- oder Wellenlagers mit der exzentrischen Lagerachse mit einem der Exzentrizität entsprechenden Parallelversatz zu den Lagerbohrungen der übrigen Haupt- oder Wellenlager in den zugehörigen Lagerstuhl einzubringen und für sämtliche Haupt- oder Wellenlager dieselbe Lagerschale mit koaxialen inneren und äußeren Umfangsflächen zu verwenden.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine;
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2 eine schematische Seitenansicht der Kurbelwelle sowie deren Lagerung in Haupt- oder Wellenlagern;
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3 eine schematische perspektivische Ansicht der Haupt- oder Wellenlager der Kurbelwelle;
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4 eine vergrößerte Schnittansicht eines als Gleitlager ausgebildeten Haupt- oder Wellenlagers bei einer Ausführungsvariante der Erfindung;
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5 eine vergrößerte schematische perspektivische Ansicht eines Teils der als Gleitlager ausgebildeten Haupt- oder Wellenlager einschließlich des Haupt- oder Wellenlagers aus 4;
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6 eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie V-V in 1 bei einer anderen bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung.
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Die in der Zeichnung dargestellte Kurbelwelle 1 einer Reihen-Brennkraftmaschine mit vier Zylindern umfasst fünf zur Lagerung der Kurbelwelle 1 dienende, in Längsrichtung der Kurbelwelle 1 im Abstand voneinander angeordnete zylindrische Wellenzapfen 2, 3, 4, 5, 6, acht paarweise zwischen benachbarten Wellenzapfen 2, 3; 3, 4; 4, 5; 5, 6 angeordnete Wangen 7, einen an einem Stirnende der Kurbelwelle 1 angeordneten Schwungradflansch 8 sowie vier Hubzapfen 9, 10, 11, 12, die jeweils zwischen zwei benachbarten Wellenzapfen 2, 3; 3, 4; 4, 5; 5, 6 angeordnet sind.
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Wie am besten in 2 dargestellt, ist an jedem der Hubzapfen 9, 10, 11, 12 ein Pleuel 13 befestigt, das die Kurbelwelle 1 mit einem der Kolben 14 der Brennkraftmaschine verbindet. Die Kolben 14 sind jeweils in einem der vier Zylinder 15 auf und ab beweglich und bilden zusammen mit den Pleueln 13 und der Kurbelwelle 1 einen Kurbeltrieb.
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Während die Pleuel 13 auf den Hubzapfen 9, 10, 11, 12 jeweils in einem Pleuellager 16 gelagert sind, sind die Wellenzapfen 2, 3, 4, 5, 6 in zugehörigen Haupt- oder Wellenlagern 17, 18, 19, 20, 21 eines Zylinderkurbelgehäuses (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine gelagert.
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Die fünf Haupt- oder Wellenlager 17, 18, 19, 20, 21 sind ebenso wie die vier Pleuellager 16 als Gleitlager ausgebildet. Sämtliche Lager 16, 17, 18, 19, 20, 21 umfassen in an sich bekannter Weise jeweils eine aus zwei Lagerhalbschalen 22, 23 bestehende Lagerschale 24 (4, 5 und 6). Die Lagerschalen 24 der Haupt- oder Wellenlager 17, 18, 19, 20, 21 weisen zylindrische innere Umfangsflächen 25 auf, die zylindrische äußere Umfangsflächen 26 der Lagerzapfen 2, 3, 4, 5, 6 umgeben. Im Betrieb der Brennkraftmaschine bildet sich zwischen den Umfangsflächen 25 und 26 ein Schmierfilm aus, der eine reibungsarme Lagerung der Kurbelwelle 1 in den Haupt- oder Wellenlagern 17, 18, 19, 20, 21 gewährleistet.
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Um ein Auftreten akustischer Störgeräusche in Form eines sogenannten Kurbelwellenklopfens zu unterbinden, weisen bei dem in der Zeichnung dargestellten Kurbeltrieb sämtliche Haupt- oder Wellenlager 17, 18, 19, 20 mit Ausnahme des Wellenlagers 21 an dem vom Schwungradfiansch 8 abgewandten Stirnende der Kurbelwelle 1, d. h. dem zur Abtriebseite der Kurbelwelle 1 entgegengesetzten Stirnende, koaxiale Lagerachsen 27 auf, während die Lagerachse 28 des Haupt- oder Wellenlagers 21 in Bezug zu den Lagerachsen 27 der übrigen Haupt- oder Wellenlager 17, 18, 19, 20 exzentrisch ist, wie am besten in 2, 3 und 5 dargestellt.
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Die Exzentrizität ε, d. h. der Parallelversatz der Lagerachse 28 des Haupt- oder Wellenlagers 21 in Bezug zu den koaxialen Lagerachsen 27 der übrigen Haupt- oder Wellenlager 17, 18, 19, 20 ist in 2, 4 und 5 stark vergrößert dargestellt. In der Praxis wird die Exzentrizität ε etwa in der Größenordnung des halben Lagerspiels S liegen, d. h. etwa 0,02 bis 0,04 mm betragen.
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Wie am besten in 2 und 5 dargestellt, ist die Richtung der Exzentrizität ε bzw. des Parallelversatzes der Lagerachse 28 des Haupt- oder Wellenlagers 21 in Bezug zu den Lagerachsen 27 der übrigen Haupt- oder Wellenlager 17, 18, 19, 20 so gewählt, dass sie entgegengesetzt zur Stoßrichtung eines Zündstoßes F ist, der bei der Zündung von Verbrennungsgasen in dem zum Haupt- oder Wellenlager 21 benachbarten ersten Zylinder 15 der Brennkraftmaschine auf den Wellenzapfen 6 des Haupt- oder Wellenlagers 21 ausgeübt wird. Anders als in 2 schematisch dargestellt, liegt allerdings der Richtungsvektor dieses Zündstoßes F wegen der Anlenkung der Pleuel 13 an den Hubzapfen 9 nicht in der durch die Zylinderachsen vorgegebenen Ebene, sondern in einer Ebene E, die von der Lagerachse 28 des Haupt- oder Wellenlagers 21 und einer Lagerachse 29 des Pleuellagers 16 des benachbarten Hubzapfens 12 vorgegeben wird, wie in 5 dargestellt.
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Wenn der Zündstoß F des benachbarten Zylinders 15 auf den Wellenzapfen 6 des Haupt- oder Wellenlagers 21 aufgebracht wird, liegt daher infolge der Exzentrizität ε bzw. des Parallelversatzes der Lagerachse 28 des Haupt- oder Wellenlagers 21 in Bezug zu den Lagerachsen 27 der übrigen Haupt- oder Wellenlager 17, 18, 19, 20 die zylindrische Umfangsfläche 26 des Wellenzapfen 6 des Haupt- oder Wellenlagers 21 auf der zur Richtung des Zündstoßes F entgegengesetzten Seite des Wellenzapfens 6 bereits gegen die innere Umfangsfläche 25 der Lagerschale 24 des Haupt- oder Wellenlagers 21 an, wie in 2 und 5 dargestellt, so dass es dort nicht mehr zu einem Anschlagen des Wellenzapfens 6 gegen die Lagerschale 24 und somit auch nicht mehr zum Auftreten von Störgeräuschen kommen kann. Mit anderen Worten wird durch die Exzentrizität ε im Haupt- oder Wellenlager 21 auf der zur Stoßrichtung des Zündstoßes F entgegengesetzten Seite das gesamte, normalerweise in den Haupt- oder Wellenlagern 17, 18, 19, 20, 21 vorhandene Lagerspiel S beseitigt, wie in 4 und 5 vergrößert dargestellt.
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Wie am besten in 4, 5 und 6 dargestellt, sind die Lagerhalbschalen 22, 23 der Lagerschale 24 des Haupt- oder Wellenlagers 21 wie die Lagerschalen 24 der übrigen Haupt- oder Wellenlager 17, 18, 19, 20 jeweils in eine Lagerbohrung 30 eines Lagerstuhls 31 des Zylinderkurbelgehäuses der Brennkraftmaschine mit einem von Hauptlagerschrauben 35 gehaltenen Hauptlagerdeckel 36 eingesetzt. Bei der in 4 und 6 dargestellten Ausführungsform weisen die Lagerbohrungen 30 in sämtlichen Lagerstühlen 31 des Zylinderkurbelgehäuses fluchtende Bohrungsachsen 34 auf, so dass sie in einem Arbeitsgang in das Zylinderkurbelgehäuse eingebracht werden können. Um diese Fluchtung sämtlicher Bohrungsachsen 34 trotz der Exzentrizität der Lagerachse 28 des Haupt- oder Wellenlagers 21 zu ermöglichen, ist die Lagerschale 24 des Haupt- oder Wellenlagers 21 dort so ausgebildet, dass ihre gegen die Lagerbohrung 30 anliegende zylindrische äußere Umfangsfläche 32 und ihre zylindrische innere Umfangsfläche 25 parallel versetzte Längsmittelachsen aufweisen und infolgedessen die Wanddicke der Lagerschale 24 entlang ihres Umfangs variiert. Die Lagerschalen 24 der übrigen Haupt- oder Wellenlager 17, 18, 19, 20 weisen koaxiale innere und äußere Umfangsflächen auf.
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Wie in 5 dargestellt, kann alternativ jedoch auch die Bohrungsachse 33 der Lagerbohrung 30 des Haupt- oder Wellenlagers 21 mit Parallelversatz zu den Bohrungsachsen 34 der Lagerbohrungen 30 der übrigen Haupt- oder Wellenlager 17, 18, 19, 20 in den zugehörigen Lagerstuhl 31 eingebracht und für sämtliche Haupt- oder Wellenlager 17, 18, 19, 20, 21 dieselben Lagerschalen 24 mit koaxialen inneren und äußeren Umfangsflächen 25, 32 verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kurbelwelle
- 2
- Wellenzapfen
- 3
- Wellenzapfen
- 4
- Wellenzapfen
- 5
- Wellenzapfen
- 6
- Wellenzapfen
- 7
- Wangen
- 8
- Schwungradflansch
- 9
- Hubzapfen
- 10
- Hubzapfen
- 11
- Hubzapfen
- 12
- Hubzapfen
- 13
- Pleuel
- 14
- Kolben
- 15
- Zylinder
- 16
- Pleuellager
- 17
- Haupt- oder Wellenlager
- 18
- Haupt- oder Wellenlager
- 19
- Haupt- oder Wellenlager
- 20
- Haupt- oder Wellenlager
- 21
- Haupt- oder Wellenlager
- 22
- Lagerhalbschale
- 23
- Lagerhalbschale
- 24
- Lagerschale
- 25
- innere Umfangsfläche Lagerschale
- 26
- äußere Umfangsfläche Wellenzapfen
- 27
- Lagerachse
- 28
- Lagerachse
- 29
- Lagerachse
- 30
- Lagerbohrung
- 31
- Lagerstuhl
- 32
- äußere Umfangsfläche Lagerschale
- 33
- Bohrungsachse
- 34
- Bohrungsachse
- 35
- Hauplagerschrauben
- 36
- Hauptlagerdeckel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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