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Die Erfindung betrifft eine Kurbelwange für eine Kurbelwelle einer Kolbenbrennkraftmaschine die in einem Bereich einer Pleuelachse auf einer ersten Seite zur Verbindung mit einem Hubzapfen vorgesehen ist und die auf einer von der ersten Seite abgewandten zweiten Seite mit Versatz zu der Pleuelachse in einem Bereich einer Lagerachse zur Verbindung mit einem Hauptlagerzapfen vorgesehen ist.
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Der Motorenbau wird derzeit stark vom Thema „Downsizing” bestimmt, womit die Entwicklung zu kleineren leichteren Verbrennungsmotoren mit höherer spezifischer Leistung umschrieben wird. Dies schließt die Forderung nach Größenreduzierung und Gewichtseinsparung an sämtlichen Bauteilen, insbesondere an den mechanisch hochbelasteten Bauteilen ein. Auch wird gefordert, dass bereits bestehende Bauteile, beispielsweise Kurbelwellen, ohne Veränderung weiterer Komponenten optimiert werden. Je nach Ausgangssituation kann die Zielrichtung hierbei darin bestehen, die Kurbelwellenmasse bei minimaler Einbuße an Biegesteifigkeit zu reduzieren oder die Biegesteifigkeit der Kurbelwelle bei minimaler Masseerhöhung zu erhöhen. Für die Biegesteifigkeit der Kurbelwelle sind maßgeblich die Kurbelwangen verantwortlich.
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Die
DE 600 09 029 D2 zeigt hauptlagerseitig auf der Kurbelwange in der Achse des Hubzapfens eine runde Kuppe und verbindet diese in Richtung des Hauptlagerzapfens mit einer Rippe. Hierdurch soll eine Absenkung der Beanspruchung in der Kurbelwange erreicht werden.
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Die
DE 43 25 722 A1 zeigt eine Kurbelwange, bei der in einer einem der Wellenzapfen abgewandten Seite im Bereich dieses Wellenzapfens eine muldenartige Ausnehmung aufweist, die einerseits nach Art einer konvexen Sattelfläche gestalteten Seitenbegrenzung und diametral gegenüber andererseits eine kalottenartig konkav gestaltete Seitenbegrenzung aufweist. Hierdurch soll neben einem reduzierten Gewicht ein verringerter Fertigungsaufwand erzielt werden.
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Auch die
DE 40 34 384 A1 und
DE 43 29 212 C2 zeigen Ausbildungen von Kurbelwangen, bei denen Ausnehmungen vorgesehen sind, um in erster Linie Gewichtsreduzierungen zu erreichen.
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Die
DE 873 180 zeigt Kurbelwangen in Scheibenform, die auf ihrem Umfang mit Laufflächen und seitlichen Führungsflächen für eine Lagerung in einem Wälzlager ausgeführt sind.
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Hiervon ausgehend ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kurbelwange bereitzustellen, die bei einfacher Herstellung eine erhöhte Biegesteifigkeit ohne nennenswerte Gewichtszunahme oder ein reduziertes Gewicht ohne nennenswerte Einbuße der Biegesteifigkeit zulässt.
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Eine erste Lösung hierfür besteht in einer Kurbelwange für eine Kurbelwelle einer Kolbenbrennkraftmaschine, die in einem Bereich einer Pleuelachse auf einer ersten Seite zur Verbindung mit einem Hubzapfen vorgesehen ist und die auf einer von der ersten Seite abgewandten zweiten Seite mit Versatz zu der Pleuelachse in einem Bereich einer Lagerachse zur Verbindung mit einem Hauptlagerzapfen vorgesehen ist, wobei auf der zweiten Seite die Kurbelwange im Bereich der Pleuelachse eine Ausnehmung ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Ausnehmung liegt in einem Bereich der Kurbelwange, der spezifisch geringer belastet ist, so dass eine Materialreduzierung einerseits nicht zu nennenswerten Festigkeitsverlusten an der Kurbelwange führt aber andererseits eine Reduzierung des Trägheitsmoments bewirkt. Bevorzugt weist die Ausnehmung einen stetigen Verlauf auf. Die Herstellbarkeit der Ausnehmung, die an der genannten Kurbelwange auf der dem Hubzapfen abgewandten Seite liegt, ist im Gieß- oder Schmiedeverfahren leicht darstellbar. Beim Gießverfahren sind nur einfach geformte zusätzliche flache Kerne zu verwenden, die leicht hergestellt und leicht entfernt werden können.
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Als vorteilhaft wird eine symmetrische Anordnung der Ausnehmung erachtet, wobei die Ausnehmung symmetrisch zu einer ersten Ebene verläuft, die durch die Lagerachse und die Pleuelachse aufgespannt ist. Durch diese symmetrische Ausgestaltung sind sowohl günstige Eigenspannungsverhältnisse zu erreichen als auch eine günstige Herstellbarkeit.
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Eine weitere Lösung besteht in einer Kurbelwange für eine Kurbelwelle einer Kolbenbrennkraftmaschine, die in einem Bereich einer Pleuelachse auf einer ersten Seite zur Verbindung mit einem Hubzapfen vorgesehen ist und die auf einer von der ersten Seite abgewandten zweiten Seite mit Versatz zu der Pleuelachse in einem Bereich einer Lagerachse zur Verbindung mit einem Hauptlagerzapfen vorgesehen ist, wobei auf der ersten Seite der Kurbelwange im Bereich der Lagerachse ein Vorsprung ausgebildet ist. Durch einen derartig Vorsprung an der Kurbelwange kann vorteilhafterweise eine Erhöhung der Biegesteifigkeit über den gesamten Kurbelwellenradius einer Kurbelwelle erreicht werden. Der Kurbelwellenradius ist der Versatz zwischen Pleuelachse und Lagerachse. Vorteilhafterweise ist dieser erfindungsgemäße Vorsprung in dem am höchsten belasteten Bereich hauptlagerseitig an der Kurbelwange angeordnet. Um die Gewichtszunahme durch das Anbringen des Vorsprungs zu kompensieren, kann in benachbarten Bereichen an der Kurbelwange, die spezifisch geringer belastet sind, Material weggenommen beziehungsweise eingespart werden. Der erfindungsgemäße Vorsprung kann hierbei die Biegesteifigkeit der Kurbelwelle bei minimaler Masseerhöhung deutlich erhöhen.
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Bevorzugt weist der Vorsprung einen stetigen Verlauf auf. Auch hier gilt das zu der Ausnehmung der ersten Lösung bereits gesagte, nämlich dass die Herstellbarkeit des Vorsprungs in einem Fertigungsverfahren leicht darstellbar ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Vorsprung symmetrisch zu der ersten Ebenen verläuft, die durch die Lagerachse und die Pleuelachse aufgespannt ist. Insgesamt ergeben sich durch diese symmetrische Gestaltung Vereinfachungen im Fertigungsprozess.
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Eine weitere Lösung besteht in einer Kurbelwange für eine Kurbelwelle einer Kolbenbrennkraftmaschine, bei der über zumindest einen Teil des Umfangs der Kurbelwange eine Rille vorgesehen ist, die versetzt zu der ersten Ebene verläuft. Die erfindungsgemäße Rille am Umfang der Kurbelwange liegt jedenfalls in einem Bereich, der spezifisch geringer belastet ist, so dass eine Materialreduzierung nicht zu nennenswerten beziehungsweise zu gar keinen Festigkeitsverlusten an der Kurbelwange führt. Im Querschnitt durch die Kurbelwange ergibt sich hierdurch eine weite I-Form, durch die eine hohe Biegesteifigkeit der Kurbelwange sichergestellt wird. Auch ist eine derartige Umfangsrille fertigungstechnisch einfach darzustellen.
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Bevorzugt sind zwei Rillen vorgesehen, die symmetrisch zu der ersten Ebene am Umfang der Kurbelwange angeordnet sind. Als fertigungstechnisch besonders günstig wird erachtet, wenn zumindest eine Rille im Querschnitt betrachtet ein U-förmiges Profil aufweist. Hierdurch ergeben sich im Betrieb günstige Eigenspannungsverhältnisse. Bevorzugt ist die zumindest eine Rille gegenüber einer vierten Ebene, die senkrecht zu der Lagerachse und der Pleuelachse verläuft, winklig angestellt.
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Ferner wird die Aufgabe gelöst durch eine Kurbelwelle für eine Kolbenkraftmaschine, umfassend zumindest einen Hubzapfen, zumindest zwei Hauptlagerzapfen und zumindest zwei Kurbelwangen, die in der Pleuelachse aufeinander zugewandten Seiten durch den Hubzapfen verbunden sind, wobei jeder Hauptlagerzapfen in der Lagerachse mit jeweils einer der Kurbelwangen auf einer Seite verbunden ist, die dem Zapfen abgewandt ist, wobei zumindest eine der Kurbelwangen eine erfindungsgemäße Kurbelwange, wie vorstehend beschrieben, ist.
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Die zuvor beschriebenen Lösungen einer erfindungsgemäßen Kurbelwange mit entweder einer Ausnehmung, einem Vorsprung oder einer Rille auf dem Wangenumfang führen jeweils für sich genommen bereits zu einer Gewichtsreduzierung und einer gleichzeitigen Reduzierung des Trägheitsmoments. Es versteht sich von selbst, dass alle drei Einzelmaßnahmen auch gleichzeitig bei einer erfindungsgemäßen Kurbelwange ausgebildet sein können, um somit eine weitere Gewichtsreduzierung bei noch deutlich verbesserten Trägheitsmomenten erreichen zu können. Insgesamt hat eine Kurbelwange bei der alle drei Einzelmaßnahmen, nämlich Ausnehmung, Vorsprung und Umfangsrille verwirklicht worden sind, mindestens die gleiche Steifigkeit und gleiche Eigenspannungsverhältnisse wie eine herkömmliche Kurbelwange. Zu betonen ist allerdings, dass eine erfindungsgemäßen Kurbelwange, bei der alle drei Maßnahmen verwirklicht worden sind, ein deutlich reduziertes Massenträgheitsmoment aufweist. Somit können bei dem Einsatz der erfindungsgemäßen Kurbelwange in einen Verbrennungsmotor mehrere Vorteil erreicht werden, von denen als die wichtigsten ein reduzierter Kraftstoffverbrauch, geringere Emissionen und ein verbessertes Ansprechverhalten zu nennen sind. Auch können die beschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen der Kurbelwange auf herkömmliche und konventionell gestaltete Kurbelwellen angewandt werden. Des weiteren kann die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kurbelwange durch jeden herkömmlichen Fertigungsprozess dargestellt werden, beispielsweise Gießen oder Schmieden. Auch kann sie bei gebauten Kurbelwellen Anwendung finden. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kurbelwange erfolgen, ohne dass irgendwelche Veränderungen an weiteren Motorteilen erfolgen müssen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in den Zeichnungen dargestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel sind alle erfindungsgemäßen Einzelmaßnahmen, nämlich Ausnehmung, Vorsprung und zwei Umfangsrillen, verwirklicht. Es handelt sich demnach um ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine besonders deutliche Reduzierung des Gewichts und der Trägheitsmomente erreicht wird. Dies schließt nicht aus, daß bereits jeweils die Verwirklichung einer der zuvor beschriebenen Einzelmaßnahmen qualitativ bereits zu diesen Effekten mit den ebenfalls zuvor beschriebenen Vorteilen führt. Hierin zeigen:
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1 eine Kurbelwelle in Axialansicht, bei der zwei erfindungsgemäßen Rillen auf dem Umfang der Kurbelwange zu angeordnet sind;
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2 die Kurbelwelle im Querschnitt gemäß Schnitt C-C in 1, bei der eine erfindungsgemäßen Ausnehmung und ein erfindungsgemäßer Vorsprung. vorgesehen sind;
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3 die Kurbelwelle in Längsschnitt mit einer erfindungsgemäßen Ausnehmung gemäß Schnitt A-A in 1 und
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4 einem erfindungsgemäßen Vorsprung gemäß Schnitt B-B in 1.
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Die 1 bis 4 werden nachstehend gemeinsam beschrieben.
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Es ist ein Abschnitt einer Kurbelwelle 1 mit einem Hauptlagerzapfen 2, einem schematisch angedeuteten Hubzapfen 3 an einer ersten Seite S1 (2), eine diese verbindenden Kurbelwange 4 gezeigt. Über den Hauptlagerzapfen 2 kann die Kurbelwelle 1 in einem nicht dargestellten Kurbelwellenhauptlager um eine Lagerachse A1 rotieren. Das Kurbelwellenhauptlager kann hierbei in herkömmlicherweise ein Gleitlager mit Lagerhalbschalen sein. Eine Kugellagerung ist aber nicht ausgeschlossen. Über den Hubzapfen 3 kann ein nicht dargestelltes Pleuel bei. Drehung der Kurbelwelle 1 um die Lagerachse A1 um eine Pleuelachse A2 rotieren. Auch hier kann ein Gleitlager oder ein Kugellager vorgesehen sein. Die Lagerachse A1 und die Pleuelachse A2 spannen eine Ebene E1 auf.
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Nicht dargestellt sind Schmierölbohrungen, über die ausgehend von einer Öffnung auf der der Lauffläche des Hauptlagerzapfens 2 die Lauffläche des Hubzapfens 3, auf der die jeweilige Schmierölbohrung über eine Öffnung endet, mit Drucköl versorgt wird.
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Bei der dargestellten Kurbelwelle 1 ist ein teilweise Überdeckung, des Hubzapfens 3 mit dem Hauptlagerzapfen 2 gegeben. Vorgesehen kann auch sein, dass sich bei entsprechend größerem Kurbelradius der Hubzapfen 3 und der Hauptlagerzapfen 2 nicht überdecken.
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In der 1 ist zu erkennen, dass die Kurbelwange 1 auf ihrem Umfang 10 seitlich versetzt zu der Ebene E1 Rillen 11, 12 aufweist, deren U-förmiges Profil in den 3 und 4 im Querschnitt zu erkennen ist. Die Rillen 11, 12 werden jeweils zu den Seiten S1 und S2 der Kurbelwange 4 von Wandungen 13, 13' und 14, 14' begrenzt, die zu der jeweiligen Oberseite und Unterseite der Kurbelwange 4 in den Umfang 10 auslaufen. 3 lässt erkennen, dass die Rillen 11, 12 winkelig angestellt zu einer Ebene E4, eingezeichnet in 2, verlaufen. Hierbei sind die Rillen derart winklig angestellt, dass sich in der einen Richtung dem Hubzapfen 3 nähern und in der entgegengesetzten Richtung dem Hauptlagerzapfen 2 nähern, wie dies in der 3 zu erkennen ist.
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In der 2 sind auf der dem Hubzapfen 3 abgewandten Seite S2 eine Ausnehmung 5 und auf der dem Hauptlagerzapfen 2 abgewandten Seite S1 ein Vorsprung 6 zu erkennen. Der Vorsprung 6 ist anhand der gestrichelten Linie zu erkennen, die den Verlauf der Kontur einer Kurbelwange ohne einen erfindungsgemäßen Vorsprung symbolisiert. Sowohl die Ausnehmung 5 als auch der Vorsprung 6 bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind symmetrisch bezüglich der Ebene E1, die in 2 die Zeichenebene ist, wie aus den 3 und 4 ersichtlich ist.
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Die erfindungsgemäß gestaltete Kurbelwange 4 kann Teil einer gegossenen Kurbelwelle oder einer geschmiedeten Kurbelwelle 1 sein. Bei einer geschmiedeten Kurbelwelle ist die Ausnehmung 5 durch Formabtragung denkbar, während bei einer gebauten Kurbelwelle 1 die Ausnehmung 5 auch im Schmiedevorgang darstellbar ist. Weiterhin ist auch eine gesinterte Kurbelwelle 1 denkbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kurbenwellenabschnitt
- 2
- Hauptlagerzapfen
- 3
- Hubzapfen
- 4
- Kurbelwange
- 5
- Ausnehmung
- 6
- Vorsprung
- 10
- Umfang
- 11
- Rille
- 12
- Rille
- 13, 13'
- Wandung
- 14, 14'
- Wandung
- E1
- erste Ebene
- E2
- zweite Ebene
- E3
- dritte Ebene
- E4
- vierte Ebene
- A1
- Lagerachse
- A2
- Pleuelachse
- S1
- erste Seite der Kurbelwange
- S2
- zweite Seite der Kurbelwange
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 60009029 D2 [0003]
- DE 4325722 A1 [0004]
- DE 4034384 A1 [0005]
- DE 4329212 C2 [0005]
- DE 873180 [0006]
