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Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle für einen Hubkolbenmotor, insbesondere eine Leichtbau-Kurbelwelle.
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Aus
WO 03/016729 A1 ist es bekannt, Kurbelwellen zur Gewichtsreduktion mit Hohlräumen zu versehen und diese Hohlräume mit sich stabilisierendem Füllmaterial zu befüllen.
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Aus
US 3,772,763 ist es bekannt, Leichtbau-Kurbelwellen dadurch herzustellen, dass einzelne Kurbelwellen-Segmente hergestellt und anschließend zusammengefügt werden.
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Aus
JP 2009 197 929 A ist es bekannt, eine Kurbelwange seitens eines Pleuellagers mit einer axialen Ausnehmung zu versehen.
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Aus
JP 60088214 A ist es bekannt, die Kurbelwange einer Kurbelwelle mit einer parallel zu einer Ölbohrung verlaufenden Sackloch-Bohrung zu versehen, um das Gewicht der Kurbelwelle zu reduzieren.
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Aus
DE 24 35 476 C3 ist es bekannt, eine Kurbelwelle mit Sacklochbohrungen mit einem speziell ausgestalteten ausgerundeten Übergang zu versehen, um eine günstige Spannungsverteilung zu erreichen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kurbelwelle als Leichtbau-Kurbelwelle zur Verfügung zu stellen, deren Gewicht gegenüber bekannten Leichtbau-Kurbelwellen weiter reduziert ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 6.
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Eine erfindungsgemäße Leichtbau-Kurbelwelle für einen Hubkolbenmotor umfasst mindestens zwei, symmetrisch zur Drehachse der Kurbelwelle angeordnete, Hauptlager mindestens ein Pleuellager sowie das Hauptlager und das Pleuellager verbindende Kurbelwangen. Dabei weist mindestens eine Kurbelwange auf der an das Hauptlager grenzenden Seite eine ebene, senkrecht zur Drehachse verlaufende, durch mechanische Bearbeitung erzeugte Spiegelfläche auf, die sich von dem Hauptlager aus über die gesamte Breite der Kurbelwangen in Richtung desjenigen Pleuellagers erstreckt, welches sich an die Kurbelwange anschließt. Eine derartige Spiegelfläche ist zwar gegenüber vielen bekannten Kurbelwellen mit einem etwas größeren Bearbeitungsaufwand verbunden, hat jedoch den Vorteil, dass die an ein Hauptlager anschließende Kurbelwange eine größere Biegesteifigkeit aufweist. Dies gilt insbesondere im Vergleich zu Kurbelwellen, bei denen sich an ein Hauptlager zunächst ein ringförmiger Anlaufbund anschließt und die Kurbelwange dadurch um die axiale Ausdehnung des Anlaufbundes versetzt ist. Durch Ausbildung einer vorstehend beschriebenen Spiegelfläche kann bei relativ kompaktem Aufbau und niedrigem Gewicht der Kurbelwelle eine hohe Biegesteifigkeit in Kröpfungsebene erreicht werden. Insbesondere kann die Breite BK der Kurbelwangen im Bereich des daran angrenzenden Hauptlagers im Vergleich zu bekannten Kurbelwellen gering gehalten werden, ohne dass die Biegesteifigkeit der Kurbelwelle in Kröpfungsebene reduziert wird.
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In weiteren praktischen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kurbelwelle weist die Spiegelfläche vom Hauptlager aus eine Höhe HS auf, die mindestens 10% des Durchmessers dH des Hauptlagers entspricht. Bevorzugt beträgt die Höhe HS mindestens 15% und besonders bevorzugt mindestens 25% des Durchmessers dH des Hauptlagers.
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Eine erfindungsgemäße Kurbelwelle ist besonders kompakt und biegesteif, wenn mindestens eine Kurbelwange in dem zu einem Hauptlager angrenzenden Bereich zunächst im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse verläuft und anschließend in einem zwischen 5° und 90° liegenden Winkel geneigt verläuft, wobei die Spiegelfläche mehr als 75% des im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse verlaufenden Bereichs einnimmt. Unter ”im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse verlaufenden Bereichen” werden vorliegend alle Bereiche verstanden, die mit einer Toleranz von +/– 5° senkrecht zur Drehachse verlaufen. In einer bevorzugten Ausführungsform nimmt die Spiegelfläche mehr als 85% und in einer besonders bevorzugten Ausführungsform mehr als 95% des im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse verlaufenden Bereichs ein.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kurbelwelle beträgt die Dicke DK mindestens einer Kurbelwange mindestens 95%, vorzugsweise 100%, des Abstandes der Spiegelfläche von der senkrechten Begrenzungswand des diese Kurbelwange begrenzenden Pleuellagers. Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass vorzugsweise weder die Hauptlager, noch die Pleuellager Anlaufbunde aufweisen, welche die Kurbelwangen von den Lager axial beabstanden. Derartige Anlaufbunde haben den Nachteil, dass diese die Biegesteifigkeit reduzieren und einen weniger kompakten Aufbau der Kurbelwelle zur Folge haben.
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In einer praktischen Ausführungsform ist die sich von dem angrenzenden Lager (Hauptlager oder Pleuellager) erstreckende Spiegelfläche auf der von diesem Lager am weitesten beabstandeten Seite möglichst geradlinig begrenzt.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Breite BS der Spiegelfläche vom Hauptlager in Richtung Pleuellager im Wesentlichen konstant. Sie kann allerdings in einem gewissen Toleranzbereich variieren, insbesondere wenn Haupt- und Pleuellager verschiedene Durchmesser aufweisen. In diesem Fall verläuft weist die Breite bestimmende Außenseite der Spiegelfläche eine vorzugsweise stetige, abgerundete Kontur auf.
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Die Erfindung betrifft auch eine Leichtbau-Kurbelwelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei welcher mindestens eine Kurbelwange auf der an das Pleuellager grenzenden Seite eine ebene, senkrecht zur Drehachse verlaufende, durch mechanische Bearbeitung erzeugte Spiegelfläche aufweist, welche sich von dem Pleuellager aus über die gesamte Breite der Kurbelwange in Richtung des Hauptlagers erstreckt, welches sich an die Kurbelwange anschließt. Die bereits im Zusammenhang mit Anspruch 1 erläuterten Vorteile gelten in diesem Fall entsprechend.
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Vorzugsweise weist die Spiegelfläche, welche sich von dem Pleuellager aus in Richtung Hauptlager erstreckt, eine größere Höhe HS auf als die Höhe HS der Spiegelfläche, welche sich von dem Hauptlager in Richtung Pleuellager erstreckt. In diesem Fall ist die auszugleichende Masse geringer.
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In einer praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kurbelwelle übersteigt die Breite BK der mindestens einen Kurbelwange im Bereich des daran angrenzenden Hauptlagers den Durchmesser dH des angrenzenden Hauptlagers um weniger als 25%. In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leichtbau-Kurbelwelle übersteigt die Breite BK der Kurbelwangen im Bereich des daran angrenzenden Hauptlagers den Durchmesser dH des angrenzenden Hauptlagers um weniger als 15%, und in einer besonders bevorzugten Ausführungsform um weniger als 8%. Mit anderen Worten ausgedrückt, zielt die Erfindung darauf ab, dass die Breite BK der Kurbelwangen im Bereich des daran angrenzenden Hauptlagers in etwa dem Durchmesser dH des angrenzenden Hauptlagers entspricht. Hierdurch wird gegenüber bekannter Kurbelwellen in der Breite der Kurbelwangen Gewicht eingespart. Dies gilt insbesondere, wenn die Breite der Kurbelwangen im Bereich des daran angrenzenden Hauptlagers die maximale Breite der Kurbelwangen vorgibt (auch in den von dem Hauptlager beabstandeten Bereichen).
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Die Erfindung betrifft insbesondere Kurbelwellen, an welchen auf der einer Kurbelwange gegenüber liegenden Seite eines Hauptlagers ein im Wesentlichen T-förmiges Gegengewicht ausgebildet ist, welches einen schmalen, sich von der Drehachse des Hauptlagers erstreckenden Mittelteil und einen sich an den Mittelteil anschließenden, von dem Hauptlager beabstandeten breiten Querteil umfasst. Bei solchen Kurbelwellen kann durch Gewichtseinsparung im Bereich der Kurbelwangen auch das Gegengewicht reduziert werden. Die Gewichtsreduzierung kann bei dem Gegengewicht dazu genutzt werden, an dem Mittelteil eine Verjüngung vorzusehen, deren Breite BV kleiner ist als der Durchmesser dH des Hauptlagers.
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Alternativ oder in Ergänzung dazu kann die Dicke DG1 des Gegengewichts im Bereich der Verjüngung kleiner ausgebildet sein als die Dicke DG2 des Gegengewichts im Bereich des Querteils.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kurbelwelle weist mindestens eine Kurbelwange eine seitliche Ausnehmung (auch Tasche genannt) auf, deren Zentrum sich vorzugsweise nach virtueller Projektion der Ausnehmung in die Symmetrieebene der Kurbelwelle zwischen der Drehachse der Hauptlager und der Drehachse des zu der Kurbelwange gehörigen Pleuellagers befindet. Vorzugsweise sind die seitlichen Ausnehmungen symmetrisch an der Kurbelwelle ausgebildet und derart angeordnet, dass die Biegesteifigkeit in Kröpfungsebene nicht reduziert wird. Durch das Vorsehen der seitlichen Ausnehmungen können das Gewicht der Kurbelwangen sowie der entsprechenden Gegengewichte weiter reduziert werden.
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Volumen und Masse der Gegengewichte können weiter dadurch reduziert werden, dass mindestens ein Pleuellager eine Lauffläche aufweist, welche mindestens teilweise einen größeren Abstand zu der Drehachse der Hauptlager aufweist als die sich an das Pleuellager anschließenden Kurbelwangen. Das gleiche gilt für den Fall, dass die Kurbelwange im Übergangsbereich zu einem Hauptlager den gleichen Abstand zur Drehachse aufweist wie die Lauffläche des Hauptlagers und somit die Kurbelwange ohne Anlaufbund in die Lauffläche des Hauptlagers übergeht. Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass Bereiche des Pleuellagers radial gegenüber den angrenzenden Kurbelwangen herausstehen und die Pleuellager keine über die Lauffläche herausstehenden Anlaufbunde aufweisen bzw. dass die Kurbelwange ohne Anlaufbund direkt in die Lauffläche des Hauptlagers übergeht. Dies wird dadurch erzielt, dass durch mechanische Bearbeitung der Laufflächen entstehende Anlaufbunde weggefräst werden bzw. die Breite BP der Pleuellager bzw. die Breite BH der Hauptlager so gewählt wird, dass diese im Wesentlichen der benötigten Lagerbreite entspricht.
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Das Gewicht einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle kann weiter reduziert werden, wenn mindestens eine Kurbelwange ein Sackloch und eine von dem an die Kurbelwange angrenzenden Hauptlager zu dem an die Kurbelwange angrenzenden Pleuellager führende Ölbohrung umfasst, wobei das Sackloch schräg (d. h. nicht parallel) zu der Ölbohrung verläuft und an dieser vorbeiführt. Ein derartiges Sackloch kann entweder gebohrt oder in eine Gusswelle eingegossen sein. Vorzugsweise durchdringen das Sackloch und die Ölbohrung die gleiche Kurbelwange und kreuzen sich in dieser.
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Um die durch die Ausbildung eines Sacklochs entstehende „Schwächung” der Kurbelwelle teilweise oder vollständig auszugleichen, kann die Kurbelwange im Bereich des Sacklochs gehärtet sein. Damit ist nicht nur eine Härtung des Eintrittsbereichs des Sacklochs gemeint, sondern auch eine ”Durchhärtung” der Innenwandung innerhalb des Sacklochs, insbesondere in Bereichen mit geringer Wandstärke.
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Da die Ausbildung eines Sacklochs mit einer erhöhten Gefahr einer Rissbildung verbunden ist, ist es vorteilhaft, wenn eine Kurbelwange im Bereich des Sacklochs eine Fase zur Reduktion einer solchen Rissbildung aufweist.
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Auch wenn vorstehend zur Erläuterung der Ansprüche teilweise als Mindestvoraussetzung von mindestens einem Element die Rede ist (z. B. mindestens eine Kurbelwange, mindestens ein Pleuellager etc.), so ist insbesondere aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich, dass in praktischen Ausführungsformen auch mehrere bzw. alle entsprechenden Elemente die in den Ansprüchen definierten Merkmale aufweisen können.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Leichtbau-Kurbelwelle gemäß einer ersten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht,
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2 den in 1 gestrichelt dargestellten Abschnitt II der erfindungsgemäßen Kurbelwelle in einer vergrößerten Darstellung,
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3 den in 1 gestrichelt dargestellten Abschnitt III der erfindungsgemäßen Kurbelwelle in einer vergrößerten Darstellung,
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4 die in den 1 bis 3 dargestellte erfindungsgemäße Kurbelwelle in einer vereinfachten Schnittdarstellung,
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5 die in den 1 bis 4 dargestellte erfindungsgemäße Kurbelwelle in einer Ansicht gemäß dem Pfeil V in 2 sowie
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6 einen exemplarischen Ausschnitt einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle in einer Seitenansicht.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Leichtbau-Kurbelwelle 100 mit fünf Hauptlagern 102, vier Pleuellagern 104 und acht Kurbelwangen 106, wobei die Kurbelwangen 106 jeweils ein Hauptlager 102 und ein Pleuellager 104 miteinander verbinden. Den Kurbelwangen 106a, 106d, 106e, 106h gegenüberliegend sind Gegengewichte 108 angeordnet.
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Wie insbesondere in den 2 und 3 zu erkennen ist, sind die Gegengewichte 108 T-förmig ausgebildet und umfassen einen schmalen, sich von der Drehachse des zugehörigen Hauptlagers erstreckenden Mittelteil 110 und einen sich an den Mittelteil 110 anschließenden, von dem Hauptlager beabstandeten breiten Querteil 112.
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Die erste Kurbelwange 106a weist auf der an das Hauptlager 102a angrenzenden Seite eine ebene, senkrecht zur Drehachse 114 verlaufende Spiegelfläche 116 auf (vgl. 2). Die Spiegelfläche 116 ist durch mechanische Bearbeitung erzeugt. Die Spiegelfläche 116 erstreckt sich vom Hauptlager 102a aus radial in Richtung des Pleuellagers 104a, welches sich an die Kurbelwange 106a anschließt.
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In der in den 1 bis 5 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kurbelwelle beträgt der Winkel α zwischen der Spiegelfläche 116 und der an die Spiegelfläche 116 angrenzenden Verbindungsfläche 118 der Kurbelwange 106 40°. Die Dicke DK der Kurbelwelle entspricht dem Abstand der Spiegelfläche von der senkrechten Begrenzungswand 120 des dieser Kurbelwange begrenzenden Pleuellagers 104a.
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Die Breite BS der Spiegelfläche ist annähernd konstant (Toleranz +/– 2 mm) und entspricht über die gesamte Höhe HS der Spiegelfläche der Breite BK der Kurbelwange.
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Wie in 2 zu erkennen ist, ist die Breite BV der Verjüngung des Gegengewichts 108a im Mittelteil 110a kleiner als der Durchmesser dH des Hauptlagers 102a.
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Ferner ist die Dicke DG1 der Gegengewichte 108 im Bereich der Verjüngung des Mittelteils 110 kleiner als die Dicke DG2 der Gegengewichte 108 im Bereich der Querteile 112. Dabei kann die Dicke DG – wie in 2 gezeigt – gleichmäßig ansteigend ausgebildet oder – wie in 3 gezeigt – mit einem „Dickensprung” ausgebildet sein. Unter einem ”Dickensprung” wird verstanden, dass die Dicken DG1 und DG2 über zwei Bereiche und 2 konstant ist und in einem relativ kurzen Übergangsbereich sprunghaft ansteigt.
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Wie in den 1 bis 3 gezeigt sind an den Kurbelwangen 106 seitliche Ausnehmungen 122 (Taschen) ausgebildet, um das Gewicht der Kurbelwangen und das Gewicht der Gegengewichte weiter zu reduzieren. Die seitlichen Ausnehmungen 122 sind so angeordnet, dass deren Zentrum 124 sich nach virtueller Projektion der Ausnehmung in die Symmetrieebene zwischen der Drehachse 114 der Hauptlager 102 und der Mittelachse 125 des zu der Kurbelwange 106 gehörigen Pleuellagers 104 befindet.
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Wie insbesondere in den 4 und 5 zu erkennen ist, sind in den Kurbelwangen 106a, 106d, 106e, 106h Sacklöcher 126 ausgebildet. Die Kurbelwangen 106a, 106d, 106e, 106h, an welchen die Sacklöcher 126a, 126d, 126e, 126h ausgebildet sind, sind diejenigen Kurbelwangen, welche Hauptlager 102 und Pleuellager 104 über entsprechende Ölbohrungen 128 miteinander verbinden (vgl. insbesondere 5). Die Sacklöcher 126 sind so positioniert, dass diese schräg zu den Ölbohrungen 128 verlaufen und an diesen vorbeiführen. Würde man die Ölbohrungen 128 und die Sachlöcher 126 in die Mittelebene der Kurbelwelle projizieren, würden sich diese kreuzen.
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Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen einer Ölbohrung 128 und einem Sackloch 126 mindestens 2,5 mm. Ein Abstand von etwa 5 mm wird vorzugsweise zwischen Sacklöchern 126 und Laufflächen der an die Sacklöcher 126 angrenzenden Pleuellager 104 eingehalten. Weiter vorzugsweise sind die Sachlöcher im Vergleich zu der Drehachse der Kurbelwelle nur um eine Richtung geneigt (z. B. im Falle der Sacklöcher 126a, 126h nur nach unten und im Falle der Sacklöcher 126d, 126e nur nach oben geneigt). Dadurch können die Kosten für die Erstellung der Sachlöcher reduziert werden, wenn diese gebohrt sind.
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Wie insbesondere in den 1, 2 und 5 zu erkennen ist, sind an den Kurbelwangen 106a, 106d, 106e, 106h im Bereich der Sacklöcher 126a, 126d, 126e, 126h entsprechende Fasen 130 vorgesehen. Dabei handelt es sich um Materialverstärkungen im Bereich der Schrägflächen 118, um die Gefahr einer Rissbildung aufgrund des Sacklochs zu verringern und um den Fertigungsprozess zu begünstigen.
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6 zeigt einen Ausschnitt einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle, welche im Wesentlichen die gleichen Elemente umfasst, wie die vorstehend beschriebene Kurbelwelle. Funktional gleiche Elemente sind daher nachfolgend mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie die erste Ausführungsform.
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Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der ersten Ausführungsform, dass die Lauffläche 132 des Pleuellagers 104a einen größeren Abstand zu der Drehachse 114 der Hauptlager 102a aufweist als die sich an das Pleuellager 104a anschließenden Kurbelwangen 106a, 106b. Der obere Bereich des Pleuellagers 104a steht daher radial gegenüber den angrenzenden Kurbelwangen 106a, 106b heraus. Auf entsprechende Anlaufbunde des Pleuellagers 104a wurde bei der in 6 gezeigten Ausführungsform verzichtet. Es ist daher hilfreich, wenn das Pleuel kolbenseitig axial geführt ist, um eine Reibung und/oder Abnutzung des Pleuels durch Kontakt mit den dem Pleuellager 104a zugewandten Seiten der Kurbelwangen 106a, 106b zu verhindern. Durch Verzicht auf die Anlaufbunde und eine Anordnung der Pleuellager 104a wie in 6 gezeigt, kann das Gewicht einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle weiter reduziert werden. Da in diesem Fall der Schwerpunkt der Kurbelwangen 106a, 106b näher an der Drehachse 114 liegen, kann auch das Gegengewicht 108a reduziert werden.
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Bevorzugte Durchmesser für das Hauptlager sind Durchmesser zwischen 40 und 60 mm, insbesondere 42 mm, 45 mm, und 48 mm. Die Breite BK der Kurbelwelle im Bereich der Hauptlager ist vorzugsweise 2 mm bis 10 mm größer als der Durchmesser dH der Hauptlager. Besonders bevorzugt ist die Breite BK der Kurbelwange 2 mm bis 5 mm größer als der Durchmesser dH der Hauptlager.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt. Die beschriebenen Merkmale, insbesondere die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale sind beliebig miteinander kombinierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Leichtbau-Kurbelwelle
- 102
- Hauptlager
- 104
- Pleuellager
- 106
- Kurbelwange
- 108
- Gegengewicht
- 110
- Mittelteil
- 112
- Querteil
- 114
- Drehachse
- 116
- Spiegelfläche
- 118
- Verbindungsfläche
- 120
- senkrechte Begrenzungswand
- 122
- seitliche Ausnehmung
- 124
- Zentrum
- 126
- Sackloch
- 128
- Ölbohrung
- 130
- Fase
- 132
- Lauffläche des Pleuellagers
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 03/016729 A1 [0002]
- US 3772763 [0003]
- JP 2009197929 A [0004]
- JP 60088214 A [0005]
- DE 2435476 C3 [0006]
