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Die Erfindung betrifft einen Kurbeltrieb für eine Brennkraftmaschine, umfassend eine gebaute Kurbelwelle, welche in Hauptlagern drehbar um eine Rotationsachse gelagert ist und sich aus mindestens zwei Kurbelwellenteilen zusammensetzt, die entlang einer jeweiligen, quer zur Rotationsachse verlaufenden Teilungsebene gefügt sind, wobei an der gebauten Kurbelwelle mindestens ein Pleuel angreift, an dessen großen Pleuelauge ein exzentrisch zur Rotationsachse positionierter Pleuelzapfen über ein Pleuellager drehbar gelagert ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Pleuel und eine Wälzlagerung eines derartigen Kurbeltriebes. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Kurbeltriebes.
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Kurbeltriebe kommen bei Brennkraftmaschinen zum Einsatz, um translatorische Bewegungen der Kolben in eine rotatorische Antriebsbewegung umzusetzen. Je nach Aufbau der Brennkraftmaschine ist eine Kurbelwelle des Kurbeltriebes hierbei unterschiedlich gestaltet. Während bei Reihenmotoren üblicherweise pro Kröpfung der Kurbelwelle ein exzentrischer Pleuelzapfen zur Anbindung eines die Verbindung zu dem jeweiligen Kolben herstellenden Pleuels ausgebildet ist, führt bei V-Motoren häufig eine Kurbelwellenkröpfung zwei Pleuelzapfen zur Aufnahme zweier Pleuel, wobei diese beiden einzelnen Pleuelzapfen bei sogenannten Split-Pin-Kurbelwellen noch um einen gewissen Achsversatz zueinander verschoben liegen.
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Bekannt ist hierbei, Kurbelwellen als gelenkgeschmiedete oder gegossene Bauteile auszuführen. Vermehrt werden Kurbelwellen aber auch, insbesondere bei größeren Motoren, als sogenannte gebaute Kurbelwellen ausgeführt, welche sich aus mehreren Einzelteilen zusammensetzen, die, als einzelne Abschnitte gefertigt, zu der gesamten Kurbelwelle zusammengefügt werden. Gebaute Kurbelwellen haben hierbei den Vorteil, dass die Verwendung von an ihrem Umfang ungeteilten Wälzlagerungen im Bereich der Hauptlager und der Pleuellager möglich wird, durch welche eine Verminderung der Reibungsverluste erzielt werden kann. Allerdings müssen gebaute Kurbelwellen entweder aus einer großen Anzahl an Einzelteilen gefertigt werden, um ein Auffädeln der am Umfang ungeteilten Wälzlagerungen in dem gewünschten Bereich zu ermöglichen, oder aber derart zusammengefügt werden, dass eine Platzierung der ungeteilten Wälzlager schon beim Zusammensetzen der Kurbelwelle an den gewünschten Positionen möglich ist.
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Aus der
DE 103 31 147 A1 ist ein Kurbeltrieb einer Brennkraftmaschine bekannt, welcher eine in Hauptlagern um eine Rotationsachse drehbar gelagerte, gebaute Kurbelwelle aufweist. Diese gebaute Kurbelwelle setzt sich dabei aus zwei Kurbelwellenteilen zusammen, die entlang einer normal auf die Rotationsachse ausgerichteten Teilungsebene gefügt sind. Die Kurbelwellenteile verfügen jeweils über einen Hauptlagerzapfenabschnitt, eine daran anschließende Kurbelwange und einen, exzentrisch zum Hauptlagerzapfenabschnitt liegenden Pleuelzapfenabschnitt, wobei die beiden Kurbelwellenteile über die einander zugewendeten Pleuelzapfenabschnitte miteinander gefügt werden und hierbei einen Pleuelzapfen zur Führung zweier Pleuel ausbilden. Um diese Pleuel nun mit einstückigen Pleuelkörpern ausführen und mittels an ihrem Umfang ungeteilter Wälzlagerungen auf dem durch die beiden Kurbelwellenteile gebildeten Pleuelzapfen lagern zu können, ist die Teilungsebene in axialer Richtung zwischen die beiden Pleuel gelegt, so dass die Pleuel gemeinsam mit den Wälzlagern auf die Pleuelzapfenabschnitte der Kurbelwellenteile aufgeschoben und anschließend die beiden Teile zwischen den Pleuel miteinander verschweißt werden können. Eine radiale Zentrierung der beiden Kurbelwellenteile zueinander wird dabei über einen Zentrierzapfen bewerkstelligt, welcher in hierzu korrespondierende Axialbohrungen in den Pleuelzapfenabschnitten der Kurbelwellenteile eingeschoben und im Bereich der Kurbelwangen mit den Kurbelwellenteilen endseitig verschweißt wird. Da die Teilungsebene zum Schweißen von außen her zugänglich sein muss, muss eine Gesamtlänge des durch die beiden Abschnitte gebildeten Pleuelzapfens um ein zur nachträglichen Schweißbarkeit ausreichendes Maß größer sein als eine Summe axialer Erstreckungen der Pleuel.
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Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kurbeltrieb für eine Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, welcher sowohl für Reihen- als auch für V-Motoren geeignet ist und hierbei eine Kurbelwelle aufweist, welche sich als gebaute Kurbelwelle aus möglichst wenigen Kurbelwelleneinzelteilen zusammensetzt. Dabei sollte bei dieser Kurbelwelle die Verwendung an ihrem Umfang ungeteilter Wälzlager und/oder einstückiger Pleuel problemlos möglich sein. Zudem sollten Fügestellen der gebauten Kurbelwelle einen möglichst geringen Einfluss auf die Platzierung der weiteren Elemente des Kurbeltriebes und den benötigten Bauraum haben.
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Diese Aufgabe wird aus vorrichtungstechnischer Sicht ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die hierauf folgenden, abhängigen Ansprüche geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. Ein für den erfindungsgemäßen Kurbeltrieb geeignetes Pleuel, sowie eine Wälzlagerung des Kurbeltriebes gehen. aus dem nebengeordneten Anspruch 7 bzw. dem nebengeordneten Anspruch 8 hervor. Aus verfahrenstechnischer Sicht erfolgt eine Lösung der Aufgabe ausgehend vom Oberbegriff des nebengeordneten Anspruchs 10 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen.
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Gemäß der Erfindung umfasst der Kurbeltrieb eine gebaute Kurbelwelle, welche in Hauptlagern drehbar um eine Rotationsachse gelagert ist und sich hierbei aus mindestens zwei Kurbelwellenteilen zusammensetzt. Diese Kurbelwellenteile sind dabei entlang einer quer zur Rotationsachse verlaufenden Teilungsebene gefügt. Zudem führt die gebaute Kurbelwelle mindestens ein Pleuel an je einem exzentrisch zur Rotationsachse positionierten Pleuelzapfen, wobei der Pleuelzapfen hierbei über ein Pleuellager in einem Pleuelauge des Pleuels drehbar gelagert ist. Im Rahmen der Erfindung ist unter einer Kurbelwelle sowohl eine, für Reihenmotoren geeigneten Kurbelwelle, also mit jeweils einem zwischen zwei Kurbelwangen platzierten Pleuelzapfen zum Führen eines zugeordneten Pleuels, als auch eine für V-Motoren geeignete Kurbelwelle zu verstehen, bei welcher zwischen zwei Kurbelwangen ein oder mehrere Pleuelzapfen ausgestaltet sind, um von mehreren zugeordneten Pleuel angetrieben zu werden. Im letzteren Fall ist insbesondere eine Ausführung der Kurbelwelle als sogenannte „Split-Pin”-Kurbelwelle denkbar, bei welcher zwischen zwei Kurbelwangen mehrere Pleuelzapfen positioniert sind, deren Mittelachsen allerdings zueinander versetzt liegen und welche hierbei ein jeweils zugeordnetes Pleuel führen.
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Im Sinne der Erfindung kann es sich bei den Kurbelwellenteilen um jegliche Art von Teilabschnitten der vorgenannten Kurbelwellen handeln, bevorzugt aber um Teilabschnitte, welche sich aus jeweils einer eine Ausgleichsmasse tragenden Kurbelwange mit daran anschließenden, entgegengesetzt orientierten Wellenabschnitten zur Ausbildung eines Pleuelzapfenabschnitts und eines Wellenzapfenabschnitts zusammensetzen. Dabei können diese Kurbelwellenteile gewichtsoptimiert ausgeführt sein, beispielsweise durch Vorsehen von gewölbt ausgeführten Kurbelwangen und/oder zumindest teilweise hohl ausgeführten Wellenabschnitten. Ein Herstellen der Kurbelwellenteile ist durch unterschiedliche Formgebungsprozess denkbar, beispielsweise durch Schmieden oder Gießen.
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Pleuel können im Sinne der Erfindung als im Bereich eines großen Pleuelauges getrennte, beispielsweise gecrackte Pleuel ausgebildet sein, deren Einzelteile dann über Verschraubungen zusammengehalten sind, sind aber insbesondere mit einem einstückigen Pleuelkörper ausgeführt. Die Hauptlager und die Pleuellager können entweder als Gleitlagerungen oder aber bevorzugt zum Teil oder insgesamt als Wälzlagerungen ausgestaltet sein.
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Die Erfindung umfasst nun die technische Lehre, dass die jeweilige Teilungsebene der mindestens zwei Kurbelwellenteile innerhalb der axialen Erstreckung einer jeweiligen Lagerstelle an der Kurbelwelle zur Aufnahme des je einen Pleuellagers und/oder je eines der Hauptlager liegt. Dabei werden die mindestens zwei Kurbelwellenteile auf dieser Höhe entlang einer Fügestelle in der jeweiligen Teilungsebene gefügt. Das Platzieren der Teilungsebene in diesem Bereich hat dabei den Vorteil, dass an der jeweiligen Lagerstelle ungeteilte Elemente, wie an ihrem Umfang ungeteilte Wälzlager, einteilige Pleuel oder im Wesentlichen einteilige Lagerböcke vorgesehen werden können. Gleichzeitig führt dies hierbei aber nicht zu einer Vergrößerung des Bauraumes der gebauten Kurbelwelle in axialer Richtung, da die Teilungsebene somit unter dem jeweiligen aufgeschobenen Element liegt. Insbesondere ist die jeweilige Teilungsebene dabei in axialer Richtung mittig an der jeweiligen Lagerstelle platziert. Im Rahmen der Erfindung ist es dabei denkbar, entweder im Bereich des Pleuellagers oder im Bereich der Hauptlager ungeteilte Wälzlagerungen vorzusehen, oder aber auch an beiden Stellen. Ein Fügen der Kurbelwellenteile erfolgt hierbei insbesondere durch Schweißen, beispielsweise Elektronenstrahlschweißen, Schweißen mittels eines Festkörperlasers oder mittels CO2-Lasers, oder aber auch mittels anderer gängiger Fügeverfahren, wie z. B. Kleben.
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Mit „Lagerstelle an der Kurbelwelle” ist im Sinne der Erfindung ein Abschnitt des jeweiligen Hauptlagerzapfens oder des jeweiligen Pleuelzapfens gemeint, auf welchem das jeweilige Lager positioniert wird.
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Im Unterschied hierzu liegt bei der
DE 103 31 147 A1 eine Teilungsebene der zwei Kurbelwellenteile zwischen Lagerstellen zur Aufnahme von Pleuellagern der beiden nebeneinanderliegenden Pleuel. Aufgrund dieser Tatsache muss zwischen den beiden Pleuel und deren Lagerungen ein entsprechender axialer Abstand vorgesehen werden, um die beiden Kurbelwellenteile nach Aufschieben der Pleuel mit Lagerungen fügen zu können. Dies führt aber zu einer entsprechenden Verlängerung der axialen Abmessungen der gebauten Kurbelwelle. Zudem ist die Ausführung einer gebauten Kurbelwelle gemäß der
DE 102 31 147 A1 nur für die Anwendung bei V-Motoren oder Boxermotoren geeignet, eine Umsetzung bei Reihenmotoren ist aufgrund hier nicht nebeneinander an einer Kröpfung gelagerter Pleuel unmöglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind das je eine Pleuellager und/oder die Hauptlager jeweils als in Umfangsrichtung ungeteilte Wälzlagerung ausgeführt, wobei die jeweilige Teilungsebene in axialer Richtung auf Höhe der jeweiligen Lauffläche zur Aufnahme dieses je einen als ungeteilte Wälzlagerung ausgeführten Pleuellagers und/oder auf Höhe dieses je einen als ungeteilte Wälzlagerung ausgeführten Hauptlagers liegt. Die Ausführung der jeweiligen Lagerung als Wälzlagerung hat hierbei den Vorteil, dass Reibungsverluste am Kurbeltrieb der Brennkraftmaschine verringert werden können. Bei Ausführung des jeweiligen Pleuellagers als Wälzlagerung kann die Reibung im Bereich der Anbindung des Pleuels an dem Pleuelzapfen und bei Ausführung der Hauptlager als Wälzlagerungen die Reibung zwischen der laufenden Kurbelwelle und einem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine verringert werden. Zudem können bei Verwendung von Wälzlagerungen ansonsten zur Schmiermittelversorgung benötigte Ölbohrungen in der Kurbelwelle entfallen, was den Herstellungsaufwand reduziert und die Betriebsfestigkeit aufgrund des Wegfalls von Kerbwirkungseffekten verbessert.
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Die Teilungsebene muss dabei im jeweiligen Bereich einer Lagerstelle zur Aufnahme der jeweiligen Wälzlagerung liegen, um ein Platzieren der jeweiligen an ihrem Umfang ungeteilten Wälzlagerung ohne Auffädeln zu ermöglichen. Eine Wälzlagerung kann dabei im Sinne der Erfindung als Rollenlager, Nadellager, Kugellager oder mit anderer Gestalt der Wälzkörper ausgebildet sein. Zudem können die Wälzkörper der jeweiligen Wälzlagerung entweder auf hierfür ausgebildeten Laufflächen an den beiden, sich relativ zueinander bewegenden Bauteilen oder aber auch auf separaten Lagerringen, also auf Außen- und/oder Innenringen abwälzen. Ferner sind die Wälzkörper bevorzugt in einem hierfür vorgesehenen Käfig geführt. Zweckmäßig ist es, die Wälzlagerung als ein- oder mehrreihigen Nadelkranz auszubilden, bei welchem dieser nur aus einem vorzugsweise aus Blech hergestelltem Käfig mit in dessen Taschen angeordneten Nadeln besteht, so dass die Laufbahnen direkt auf dem Wellenzapfen sowie im Pleuelauge oder im Hauptlagerbock ausgebildet sind.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Wälzlagerung durch zwei einzelne, in axialer Richtung hintereinander angeordnete Wälzlager gebildet, wobei eine Fügestelle der jeweiligen Teilungsebene zwischen den Wälzlagern angeordnet ist. Mittels einer derartigen Ausgestaltung können am Umfang ungeteilte Wälzlagerungen im Bereich des Pleuellagers und/oder der Hauptlager vorgesehen werden, gleichzeitig aber aufgrund gewählter axialer Abmessungen der beiden Wälzlager problemlos ein Fügen der Kurbelwellenteile aufgrund eines ausreichenden axialen Abstandes zwischen den Wälzlagern bewerkstelligt werden.
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Alternativ hierzu ist die Wälzlagerung durch ein einzelnes Wälzlager gebildet, dessen Käfig und/oder dessen Außenring je einen radialen Durchbruch aufweist. Dieser radiale Durchbruch ist dabei in axialer Richtung derart relativ zu der Fügestelle dimensioniert, dass die Fügestelle von außen für ein Fügemittel zugänglich ist. Somit ist es über diesen Durchbruch möglich, durch die den Wellenzapfen umschließenden Bauteile des einzelnen Wälzlagers hindurch auf die Fügestelle zuzugreifen und die beiden Kurbelwelleneinzelteile zusammenzufügen. Dieses Wälzlager kann dabei mit separaten Lagerringen und einem Käfig oder einem dieser beiden Merkmale ausgeführt sein. Insbesondere bei Verwendung eines Käfigs und eines Außenrings sollten die Durchbrüche an beiden Bauteilen aber in Umfangsrichtung vergrößert ausgeführt sein, um auch bei geringen Relativverschiebungen zwischen Käfig und Ring auf die Fügestelle zugreifen zu können. Vorteilhafterweise ist der Durchbruch in axialer Richtung des Käfigs und/oder des Außenrings mittig platziert, wobei axial benachbart zu dem Durchbruch jeweils axial verkürzte Wälzkörper platziert sind. Hierdurch wird auch im Bereich des Durchbruchs für eine ausreichende Lagerung durch Abrollen der axial verkürzten Wälzkörper gesorgt.
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Entsprechend einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Pleuel als Pleuel mit einem einstückigen Pleuelkörper ausgeführt, wobei an einem Ende des Pleuelkörpers ein großes Pleuelauge zur Anbindung an einen Pleuelzapfen der Kurbelwelle ausgebildet ist. Als Besonderheit weist der Pleuelkörper nun im Bereich des großen Pleuelauges einen radialen Durchbruch auf, welcher in das große Pleuelauge einmündet. Dieser Durchbruch ist dabei in axialer Richtung derartig relativ zu der Fügestelle dimensioniert, dass die Fügestelle von außen für ein Fügemittel zugänglich ist. Das Vorsehen eines Pleuels mit einstückigem Pleuelkörper hat hierbei den Vorteil, dass das Gesamtgewicht des erfindungsgemäßen Kurbeltriebes durch den Wegfall von zusätzlichen Verbindungsschrauben im Bereich des Pleuellagers vermindert werden kann. Über den, im Bereich des großen Pleuelauges ausgebildeten Durchbruch kann durch das Pleuel hindurch auf die Fügestelle der Kurbelwellenteile eingewirkt und somit die beiden Kurbelwellenteile auch nach Platzierung des Pleuels von außen durch den Durchbruch hindurch miteinander verbunden werden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist radial zu dem je einen Hauptlager ein im Wesentlichen einstückiger Lagerbock platziert, welcher einen radialen Durchbruch aufweist, wobei der Durchbruch in axialer Richtung derart relativ zu der Fügestelle dimensioniert ist, dass die Fügestelle von außen für ein Fügemittel zugänglich ist. Dadurch wird beispielsweise ermöglicht, die Kurbelwelle bereits mit vormontierten Lagerungen zur Montage in das Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine anzuliefern. Dann sind nur noch die jeweiligen Lagerböcke mit dem Kurbelgehäuse zu verschrauben. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass auch ein Lagerbock eines Hauptlagers einstückig ausgeführt werden kann und gleichzeitig ein Fügen der beiden Kurbelwellenteile durch den Durchbruch im Lagerbock nach dessen Positionierung möglich ist. Auch hier muss die axiale Abmessung dieses Durchbruchs eine Zugänglichkeit zur Fügestelle ermöglichen, um ein ausreichendes Fenster zum Fügen durch den Lagerbock hindurch auszubilden.
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Mit „Fügemitteln” sind bei den vorgenannten Ausgestaltungen jeweils Mittel gemeint, über welche ein Fügen der Kurbelwellenteile vorgenommen wird, bevorzugt aber ein Laserschweißstrahl, ein Elektronenschweißstrahl oder ein sonstiger geeigneter Schweißstrahl.
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Entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Fügen zweier Kurbelwellenteile ein Zusammenführen der zwei Kurbelwellenteile, so dass die Fügestelle in der Teilungsebene im radialen Innenbereich eines als ungeteilte Wälzlagerung ausgeführten Pleuellagers und eines großen Pleuelauges eines einstückig ausgebildeten Pleuels liegt. Dies erfolgt dabei unter Bildung eines Pleuelzapfens. Als nächster Schritt werden die beiden Kurbelwellenteile dann um eine Mittelachse des jeweils ausgebildeten Pleuelzapfens in Rotation versetzt, wobei hierbei ein Fügen der beiden Kurbelwellenteile in Umfangsrichtung entlang der Fügestelle von radial außen über Durchbrüche im Pleuel und gegebenenfalls in der Wälzlagerung vorgenommen wird. Hierdurch kann ein Fügen zweier Kurbelwellenteile im Bereich einer Pleuellagerung bei Verwendung einer an ihrem Umfang ungeteilten Wälzlagerung und einem einstückig ausgebildeten Pleuel erfolgen.
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Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst ein Fügen zweier Kurbelwellenteile ein Zusammenführen der zwei Kurbelwellenteile, so dass die Fügestelle in der jeweiligen Teilungsebene im radialen Innenbereich eines als ungeteilte Wälzlagerung ausgeführten Hauptlagers und/oder eines einstückig ausgeführten Lagerbocks liegt. Anschließend werden die beiden Kurbelwellenteile um die Rotationsachse der gebauten Kurbelwelle in Drehbewegung versetzt, wobei hierbei ein Fügen der beiden Kurbelwellenteile in Umfangsrichtung entlang der Fügestelle von radial außen über einen Durchbruch in dem Lagerbock und/oder in der Wälzlagerung vorgenommen wird. Mittels dieses Vorgehens können zwei Kurbelwellenteile im Bereich eines Hauptlagers bei Verwendung einer am Umfang ungeteilten Wälzlagerung und/oder eines einstückigen Lagerbocks problemlos zusammengefügt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale der nebengeordneten Ansprüche oder der hiervon abhängigen Ansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus Möglichkeiten, einzelne Merkmale, auch soweit sie aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen oder unmittelbar aus den Zeichnungen hervorgehen, miteinander zu kombinieren. Die Bezugnahme der Ansprüche auf die Zeichnungen durch die Verwendung von Bezugszeichen soll den Schutzumfang der Ansprüche nicht beschränken.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, die Bezug auf die in den Zeichnungen dargestellten Figuren nehmen. Es zeigt:
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1 eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Kurbeltriebes gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine Schnittansicht im Bereich eines Pleuelzapfens mit einer ersten Ausgestaltungsmöglichkeit einer Wälzlagerung;
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3 eine Schnittansicht im Bereich eines Pleuelzapfens mit einer Wälzlagerung entsprechend einer zweiten Ausgestaltungsmöglichkeit;
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4 eine perspektivische Ansicht eines als Nadelkranz ausgebildeten Wälzlagers, das im Ausgestaltungsbeispiel nach 3 verwendet wird;
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5 eine Schnittdarstellung zweier Kurbelwellenteile im Bereich eines Pleuelzapfens vor Montage einer Kröpfung einer Kurbelwelle;
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6 eine perspektivische Schnittansicht im Bereich eines Pleuelzapfens während einer Montage einer Kröpfung des Pleuels im Bereich der Kröpfung;
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7 eine Seitenansicht zweier zu verbindender Kröpfungen der Kurbelwelle vor ihrer Montage; und
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8 eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Kurbeltriebes gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Aus 1 geht eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kurbeltriebes hervor, welcher als Kurbeltrieb für einen Reihenmotor mit vier Zylindern ausgestaltet ist. Der Kurbeltrieb umfasst hierbei eine gebaute Kurbelwelle 1, welche in Hauptlagern 2, 3, 4, 5 und 6 drehbar gelagert ist und über vier Kröpfungen 7, 8, 9 und 10 verfügt. Die Kurbelwelle 1 setzt sich dabei aus mehreren Kurbelwellenteilen 11 bis 20 zusammen, wobei diese im Einzelnen mit dem jeweils benachbart liegenden Kurbelwellenteil gefügt sind. Dabei bilden die Kurbelwellenteile 11 und 12, 13 und 14, 15 und 16, 17 und 18, sowie 19 und 20 jeweils paarweise Hauptlagerzapfen 21 bis 25 zur Aufnahme der Hauptlager 2 bis 6 aus, während die Kurbelwellenteile 12 und 13, 14 und 15, 16 und 17, sowie 18 und 19 jeweils paarweise exzentrische zu einer Rotationsachse der Kurbelwelle 1 platzierte Pleuelzapfen 26 bis 29 gestalten. Diese Pleuelzapfen 26 bis 29 dienen dabei zur Ausbildung von Lagerstellen von Pleuellagern 30 bis 33 und zur Führung der über die Pleuellager 30 bis 33 drehbar gelagerten Pleuel 34 bis 37.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, sind die Kurbelwellenteile 12 bis 19 jeweils als gleiche Segmente ausgeführt, die sich hierbei jeweils aus einer Kurbelwange 38 mit angeformter Ausgleichsmasse 39, sowie sich von der Kurbelwange 38 in axialer Richtung jeweils entgegengesetzt erstreckenden Zapfenabschnitten 40 und 41 zusammensetzen. Wie ferner zu erkennen ist, ist im Bereich der jeweiligen Kurbelwange 38 eine Wölbung 42 ausgestaltet, durch welche das Gewicht eines Kurbelwellenteils 12 bis 19 reduziert werden kann. Zudem sind die Zapfenabschnitte 40 und 41 teilweise hohl ausgestaltet, was ebenfalls zu einer Reduzierung des Gewichts führt. Die Kurbelwellenteile 12 bis 19 können hierbei im Schmiedeprozess gefertigt werden, sind aber bevorzugt als Gussteile ausgeführt, welche im Bereich der Zapfenabschnitte 40 und 41 spanend nachbearbeitet sind.
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Ferner ist aus 1 ersichtlich, dass die Pleuel 34 bis 37 jeweils mit einem einstückigen Pleuelkörper ausgeführt sind, an dessen einem Ende auf dem Fachmann bekannter Art und Weise ein kleines Pleuelauge 43 zur Aufnahme eines – vorliegend nicht weiter dargestellten – Kolbenbolzens und an dessen anderen Ende ein großes Pleuelauge 44 zur Anbindung an den jeweiligen Pleuelzapfen 26 bis 29 ausgebildet ist. Auf bekannte Art und Weise sind dabei die beiden Pleuelaugen 43 und 44 über eine Pleuelschaft 45 miteinander verbunden.
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Des Weiteren ist auch aus 1 ersichtlich, dass sowohl die Hauptlager 2 bis 6 als auch die Pleuellager 30 bis 33 jeweils als ungeteilte Wälzlagerungen ausgeführt sind. Die beiden Möglichkeiten einer Gestaltung dieser Wälzlagerungen sind in den Schnittansichten der 2 und 3 am Beispiel der Kröpfung 7 dargestellt. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die für die Kröpfung 7 dargestellten Möglichkeiten der Ausbildung einer Wälzlagerung prinzipiell auch für eine Gestaltung der Hauptlager 2 bis 6 denkbar ist.
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In 2 ist nun eine erste Ausgestaltungsmöglichkeit einer Wälzlagerung am Beispiel der Kröpfung 7 und deren Pleuelzapfen 26 dargestellt. Wie zu erkennen ist, sind die beiden Kurbelwellenteile 18 und 19 entlang einer Teilungsebene 46 an ihren einander zugewendeten Zapfenabschnitten 41 zusammengefügt, wobei die Teilungsebene hierbei quer zu einer Rotationsachse 47 der Kurbelwelle 1 steht. Hierzu sind die Kurbelwellenteile 18 und 19 in Umfangsrichtung entlang einer Fügestelle 48 mit ihren Zapfenabschnitten 41 fluchtend aneinandergefügt und bilden den besagten Pleuelzapfen 26 aus. Das Pleuellager 30 wird nun durch zwei einzelne, in axialer Richtung hintereinander angeordnete Wälzlager 49 und 50 gebildet, welche vorliegend jeweils in Käfigen 51 und 52 geführte Wälzkörper 53 und 54, sowie die Wälzkörper 53 und 54 radial umgreifende Außenringe 55 und 56 aufweisen. Die mit Borden versehenen Außenringe 55 und 56 sind dabei in entsprechende Ausnehmungen des großen Pleuelauges 44 des Pleuels 34 eingesetzt. Entsprechend der Gestaltung der Wälzkörper 53 und 54 sind die Wälzlager 49 und 50 im vorliegenden Fall als Zylinderrollenlager ausgestaltet. Als Besonderheit sind axiale Abmessungen der Wälzlager 49 und 50 nun derartig gewählt, dass die Fügestelle 48 zwischen ihnen liegt. Hierdurch ist die Fügestelle 48 auch nach Platzierung der beiden Wälzlager 49 und 50 von radial außen zugänglich.
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Aus 3 geht nun eine weitere Gestaltungsmöglichkeit einer Wälzlagerung hervor. Im Unterschied zu der Ausgestaltung nach 2 kommt in diesem Fall ein einzelnes Wälzlager 57 zur Anwendung, welches in einem Käfig 58 geführte Wälzkörper 59 aufweist. Laufflächen dieser Wälzkörper 59 werden dabei unmittelbar durch entsprechende Flächen an dem großen Pleuelauge 44 und dem Pleuelzapfen 26 ausgebildet. Um nun wiederum die Fügestelle 48 der Teilungsebene 46 von radial außen erreichen zu können, weist das Wälzlager 57 einen besonderen, in 4 perspektivisch dargestellten Aufbau auf. Hierbei ist zu erkennen, dass der Käfig 58 über einen radial orientierten Durchbruch 60 verfügt, welcher in axialer Richtung des Käfigs 58 mittig platziert ist. Über diesen Durchbruch 60 kann ein Umfangsabschnitt der Fügestelle 48 zur Durchführung des Fügeverfahrens wiederum von radial außen erreicht werden. Als weitere Besonderheit sind axial benachbart zu dem Durchbruch 60 jeweils axial verkürzt ausgestaltete Wälzkörper 61 platziert, über welche auch im Bereich des Durchbruchs 60 eine ausreichende Lagerung gewährleistet werden kann.
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Ein Fügen einer Kröpfung der Kurbelwelle 1 wird unter Hinzuziehung von 5 nun für die Kröpfung 7 beschrieben. Zunächst wird das Pleuellager 30 in das große Pleuelauge 44 des Pleuels 34 eingebracht, wobei die Pleuellagerung 30 vorliegend entsprechend 3 als einzelnes Wälzlager 57, also als Nadelkranz ausgestaltet ist. Anschließend erfolgt eine Positionierung des Pleuels 34 über das kleine Pleuelauge 43 mittels einer – nicht weiter dargestellten – Apparatur. Im nächsten Schritt werden die Zapfenabschnitte 41 der Kurbelwellenteile 18 und 19 in einem radialen Innenbereich des Wälzlagers 57 und des großen Pleuelauges 44 zusammengebracht, wobei die Zapfenabschnitte 41 hierbei an den in axialer Richtung miteinander in Kontakt tretenden Flächen vorher thermisch behandelt, beispielsweise erwärmt worden sein können. Die beiden Kurbelwellenteile 18 und 19 werden zum Zusammenbringen der Zapfenabschnitte 41 und zum Halten dieser Position über eine – ebenfalls nicht dargestellte – Vorrichtung mit einer definierten Kraft F aufeinander gedrückt. Anschließend werden die beiden Kurbelwellenteile 18 und 19 gemeinsam um eine Mittelachse 62 des somit gebildeten Pleuelzapfens 26 rotiert, wobei währenddessen die beiden Kurbelwellenteile 18 und 19 über den Umfang der gebildeten Fügestelle 48 mittels eines Fügeverfahrens, beispielsweise durch Schweißen, zusammengefügt werden. Zu diesem Zweck wird von radial außen über den Durchbruch 60 des Wälzlagers 57 und einen in das große Pleuelauge 44 radial einmündenden Durchbruch 63 des Pleuels 34 auf die Fügestelle 48 eingewirkt. Das Verfahren kann auch in der Weise verändert werden, dass das mit dem Pleuellager 30 versehene Pleuel 34 zunächst auf einen der Zapfenabschnitte 41 aufgeschoben und dann der jeweils andere Zapfenabschnitt 41 in das Innere des Wälzlagers 57 eingeführt wird. Dann schließt sich daran der Fügevorgang an.
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Wie insbesondere in Kombination mit der perspektivischen Ansicht aus 6 ersichtlich wird, sind der Durchbruch 63 des Pleuels 34 und der Durchbruch 60 des Wälzlagers 57 hierzu in Umfangsrichtung in Überdeckung zu bringen. Um während der Rotation der Kurbelwellenteile 12 und 13 eine ungewollte Relativverdrehung des Käfigs 58 und damit des Durchbruchs 60 gegenüber dem Durchbruch 63 zu verhindern, was insbesondere aufgrund der Abrollbewegungen der Wälzkörper 59 und 61 auf den Zapfenabschnitten 41 erfolgen kann, sollte der Käfig 58 gegenüber dem Durchbruch 63 des Pleuels 34 durch ein entsprechendes Sicherungsmittel fixiert werden, so dass der Käfig an einer Verdrehung gehindert wird. Zudem ist es im Rahmen der Erfindung auch denkbar, den Durchbruch 60 in Umfangsrichtung deutlich größer auszugestalten als den Durchbruch 63, um auch bei gegebenenfalls geringfügigen Verschiebungen dennoch ein Fügen von radial außen ohne Beeinträchtigung des Wälzlagers 57 zu ermöglichen. Dem Fachmann wird hierbei zudem klar sein, dass bei Verwendung eines einzelnen Wälzlagers mit Außenring auch der Außenring mit einem einem Durchbruch eines Käfigs entsprechenden Durchbruch zu versehen ist.
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Im Falle einer Ausgestaltung der Pleuellagerung gemäß 2 kann hingegen ein problemloses Fügen über den Durchbruch 63 des Pleuels 34 zwischen den dann zur Anwendung kommenden Wälzlagern 49 und 50 vorgenommen werden. Beim Fügen entstehende Verunreinigungen können durch Vorsehen einer entsprechenden Schutzkappe abgefangen werden. Im Anschluss an das Zusammenfügen der beiden Kurbelwellenteile 18 und 19 kann dann noch eine thermische Nachbehandlung und eine Kontrolle der Fügestelle 48 vorgenommen werden.
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Aus 7 geht der Ablauf einer Montage der einzelnen Kröpfungen zur Bildung des Kurbeltriebes hervor. Hierbei ist diese Montage beispielhaft anhand des Fügens der beiden Kröpfungen 8 und 9 beschrieben. In einem ersten Schritt wird dabei in einen einstückig ausgeführten Lagerbock 64 das – vorliegend nicht dargestellte – Hauptlager 3 eingefügt, welches analog zu den Pleuellagern 30 bis 33 als Nadelkranz entsprechend Wälzlager 57 oder als zwei axial hintereinanderliegende Wälzlager entsprechend der Wälzlager 49 und 50 ausgeführt sein kann. Bei Verwirklichung in Form eines einteiligen Wälzlagers ist dann der, auch in diesem Fall vorzusehende Durchbruch 60 in Überdeckung mit einem radial orientierten Durchbruch 65 des Lagerbocks 64 zu bringen. In einem darauffolgenden Schritt werden die jeweiligen Zapfenabschnitte 40 der Kurbelwellenteile 15 und 16 im radialen Innenbereich des Lagerbocks 64 und der jeweiligen ungeteilten Wälzlagerung zusammengeführt und jeweils stirnseitig miteinander in Kontakt gebracht.
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Hierbei erfolgt eine winkelige Ausrichtung der beiden Kröpfungen 8 und 9 zueinander durch entsprechende Stellungen der Pleuel 35 und 36, welche über ihre kleinen Pleuelaugen 43 durch entsprechende Apparaturen in der jeweiligen Stellung gehalten werden. Im Vorfeld vor Zusammenführung können die Zapfenabschnitte 40 der Kurbelwellenteile 15 und 16 in Bereich der zu fügenden Flächen erneut einer thermischen Behandlung unterzogen worden sein. Nach einem Zusammenführen der Zapfenabschnitte 40 werden die Kröpfungen 8 und 9 mit Hilfe hierfür vorgesehener Apparaturen von beiden Seiten mit einer axialen Kraft F in der zusammengeführten Position gehalten, um ein Auseinanderwandern der zu fügenden Flächen während des Fügevorganges zu unterbinden. Anschließend werden die Kröpfungen 8 und 9 um die Rotationsachse 47 der Kurbelwelle 1 rotiert, wobei hierbei ein Fügen der Zapfenabschnitte 40 analog zu dem bereits beschriebenen Fügen der Kröpfung 7 über den Durchbruch 65 des Lagerbocks 64 und einen vorhandenen Durchbruch 60 eines gegebenenfalls einteiligen Wälzlagers 57 erfolgt.
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Im Falle der Verwendung eines einteiligen Wälzlagers 57 muss ebenfalls eine Relativverschiebung eines Käfigs 58 durch Festsetzen relativ zum Durchbruch 65 verhindert werden. Ferner ist es auch in diesem Fall vorteilhaft, einen Durchbruch 60 im Käfig 58 in Umfangsrichtung größer zu gestalten als den Durchbruch 65 des Lagerbocks 64. Auch hier wird dem Fachmann wiederum klar sein, dass bei Vorhandensein eines Außenrings des einteiligen Wälzlagers 57 dieser Außenring ebenfalls mit einem entsprechenden Durchbruch versehen und eine entsprechende relative Positionierung zu dem Durchbruch 65 bewerkstelligt werden muss.
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Bevorzugt werden die beiden Zapfenabschnitte 40 auch in diesem Fall mittels Schweißens gefügt, wobei auch hier ein Auffangen von Verunreinigungen durch das Vorsehen einer entsprechenden Schutzkappe möglich ist. Nach erfolgtem Fügen der beiden Kröpfungen 7 und 8 kann dann noch eine thermische Behandlung der gefügten Kröpfungen 7 und 8 erfolgen, während abschließend auf jeden Fall eine Kontrolle der Fügefläche vorgenommen wird. Entsprechend dem in 7 dargestellten und vorstehend beschriebenen Verfahren kann der Kurbeltrieb durch schrittweises Aneinanderfügen der einzelnen Kröpfungen 7 bis 10 gebildet werden. Im Anschluss an die komplette Montage der Kurbelwelle 1 sind dann noch Enden der Kurbelwelle 1 zu bearbeiten und die Kurbelwelle 1 insgesamt auszuwuchten. Zudem kann nach Montage einer Kröpfung 7 bzw. 8 bzw. 9 bzw. 10 die Länge dieser Kröpfung durch abschließende Bearbeitung entsprechend angepasst werden. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es bei der Montage des erfindungsgemäßen Kurbeltriebes aber auch prinzipiell denkbar ist, Kurbelwellenteile 13 und 14, 15 und 16, sowie 17 und 18 zunächst im Bereich der Hauptlager 5 bzw. 4 bzw. 3 zu fügen und erst anschließend durch weiteres Fügen die Kröpfungen 7 bis 10 auszubilden.
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Schließlich geht noch aus 8 eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kurbeltriebes hervor. Im Unterschied zu der im Vorfeld beschriebenen Variante setzt sich eine gebaute Kurbelwelle 66 in diesem Fall neben den Kurbelwellenteilen 11 bis 17 und 20 in diesem Fall noch aus den zusätzlichen Kurbelwellenteilen 67 bis 69 zusammen. Diese Kurbelwellenteile 67 bis 69 sind hierbei jeweils durch Zapfenabschnitte 70 und 71 gebildet, die teilweise hohl ausgeführt sind und relativ zueinander unter einem Achsversatz liegen. Hierbei ist jeweils ein Kurbelwellenteil 67 bzw. 68 bzw. 69 zwischen den Kurbelwellenteile 12 und 13, 14 und 15, sowie 16 und 17 positioniert, wobei die Zapfenabschnitte 70 und 71 mit den jeweiligen Zapfenabschnitten 41 je einen Pleuelzapfen 72 bis 77 zum Führen eines jeweils zugehörigen Pleuels 78 bis 83 ausbilden. Insgesamt ist die Kurbelwelle 66 nach Art einer Split-Pin-Kurbelwelle ausgestaltet. Hierbei sind die Pleuel 78 bis 83 analog zu den Pleuel 34 bis 37 der vorhergehenden Variante ebenfalls einstückig ausgeführt und auch Hauptlager 84 bis 87 und Pleuellager 88 bis 93 jeweils als ungeteilte Wälzlagerungen ausgestaltet. In der dargestellten Ausführungsform des Kurbeltriebes gemäß 8 sind die Hauptlager 84 bis 87 und die Pleuellager 88 bis 93 hierbei jeweils in Form zweier axial hintereinander angeordneter Wälzlager analog der Wälzlager 49 und 50 der vorhergehenden Variante realisiert. Ein Zusammenfügen der einzelnen Elemente des erfindungsgemäßen Kurbeltriebes gemäß 8 erfolgt ebenfalls analog zu der vorhergehenden Variante, wobei bei Ausbildung von Kröpfungen 94 bis 96 der Kurbelwelle 66 hierbei ein aufeinanderfolgendes Fügen der Kurbelwellenteile 67 bis 69 zunächst mit dem einen zugehörigen Kurbelwellenteil 12 bzw. 14 bzw. 16 und anschließend mit dem jeweils anderen Kurbelwellenteil 13 bzw. 15 bzw. 17 vorgenommen wird.
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Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Kurbeltriebes, sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, einen Kurbeltrieb auszubilden, der bei einer geringen Anzahl von Kurbelwellenteilen für die Verwendung bei allen Motorentypen geeignet ist und hierbei dennoch eine Verwendung einstückiger Pleuel zur Gewichtsreduzierung und/oder ungeteilte Wälzlagerungen zur Minderung der Reibungsverluste ermöglicht. Durch die Platzierung der jeweiligen Teilungsebene der Kurbelwellenteile im Bereich von Lagerstellen an der Kurbelwelle ist hierbei keine axiale Verlängerung der jeweiligen Kurbelwelle nötig. Andererseits tritt aber durch das Vorsehen der Durchbrüche in den Pleuel, in den Lagerböcken und ggf. auch in den Wälzlagern keine nennenswerte Verminderung der Belastbarkeit dieser Bauteile auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kurbelwelle
- 2
- Hauptlager
- 3
- Hauptlager
- 4
- Hauptlager
- 5
- Hauptlager
- 6
- Hauptlager
- 7
- Kröpfung
- 8
- Kröpfung
- 9
- Kröpfung
- 10
- Kröpfung
- 11
- Kurbelwellenteil
- 12
- Kurbelwellenteil
- 13
- Kurbelwellenteil
- 14
- Kurbelwellenteil
- 15
- Kurbelwellenteil
- 16
- Kurbelwellenteil
- 17
- Kurbelwellenteil
- 18
- Kurbelwellenteil
- 19
- Kurbelwellenteil
- 20
- Kurbelwellenteil
- 21
- Hauptlagerzapfen
- 22
- Hauptlagerzapfen
- 23
- Hauptlagerzapfen
- 24
- Hauptlagerzapfen
- 25
- Hauptlagerzapfen
- 26
- Pleuelzapfen
- 27
- Pleuelzapfen
- 28
- Pleuelzapfen
- 29
- Pleuelzapfen
- 30
- Pleuellager
- 31
- Pleuellager
- 32
- Pleuellager
- 33
- Pleuellager
- 34
- Pleuel
- 35
- Pleuel
- 36
- Pleuel
- 37
- Pleuel
- 38
- Kurbelwange
- 39
- Ausgleichsmasse
- 40
- Zapfenabschnitt
- 41
- Zapfenabschnitt
- 42
- Wölbung
- 43
- kleines Pleuelauge
- 44
- großes Pleuelauge
- 45
- Pleuelschaft
- 46
- Teilungsebene
- 47
- Rotationsachse
- 48
- Fügestelle
- 49
- Wälzlager
- 50
- Wälzlager
- 51
- Käfig
- 52
- Käfig
- 53
- Wälzkörper
- 54
- Wälzkörper
- 55
- Außenring
- 56
- Außenring
- 57
- Wälzlager
- 58
- Käfig
- 59
- Wälzkörper
- 60
- Durchbruch
- 61
- verkürzte Wälzkörper
- 62
- Mittelachse
- 63
- Durchbruch
- 64
- Lagerbock
- 65
- Durchbruch
- 66
- Kurbelwelle
- 67
- Kurbelwellenteil
- 68
- Kurbelwellenteil
- 69
- Kurbelwellenteil
- 70
- Zapfenabschnitt
- 71
- Zapfenabschnitt
- 72
- Pleuelzapfen
- 73
- Pleuelzapfen
- 74
- Pleuelzapfen
- 75
- Pleuelzapfen
- 76
- Pleuelzapfen
- 77
- Pleuelzapfen
- 78
- Pleuel
- 79
- Pleuel
- 80
- Pleuel
- 81
- Pleuel
- 82
- Pleuel
- 83
- Pleuel
- 84
- Hauptlager
- 85
- Hauptlager
- 86
- Hauptlager
- 87
- Hauptlager
- 88
- Pleuellager
- 89
- Pleuellager
- 90
- Pleuellager
- 91
- Pleuellager
- 92
- Pleuellager
- 93
- Pleuellager
- 94
- Kröpfung
- 95
- Kröpfung
- 96
- Kröpfung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10331147 A1 [0004, 0012]
- DE 10231147 A1 [0012]
