DE102011080688A1

DE102011080688A1 - Crankshaft, particularly casted crankshaft for internal combustion engines, has two base pins and crank pin, which is connected with adjacent base pin by crank webs, where base pin and crank pin comprise axial through-holes

Info

Publication number: DE102011080688A1
Application number: DE102011080688A
Authority: DE
Inventors: Bernd Steiner; Edwin Weiss; Marcus Klaar
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2013-02-14
Also published as: CN102927116B; CN102927116A

Abstract

The crankshaft has two base pins (2,4) and a crank pin (10), which is connected with the adjacent base pin by crank webs (14,16). The base pin and the crank pin comprise an axial through-hole (22,28). The through-holes in the base pin or in the crank pin extend conically to their outlet openings in the crank webs. The through-holes in the base pin and the crank pins extend conically at an angle of 2 degree from corresponding central axis (8). The through-hole in the crank pin has an oval contour, particularly an egg curve, whose tip is facing away from the central axis of the crankshaft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle für Verbrennungsmotoren mit hohlen Zapfen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a crankshaft for internal combustion engines with hollow pin according to the preamble of claim 1.

Derartige hohle Zapfen in Kurbelwellen sind grundsätzlich im Stand der Technik bekannt. Hierdurch soll eine Gewichtsreduktion bewirkt werden. Jedoch besteht bei derartigen Kurbelwellen – in noch höherem Maße als bei massiven Kurbelwellen – die Gefahr von Rißbildungen aufgrund von Spannungskonzentration an den Enden der Grund- und Hubzapfen. Such hollow pins in crankshafts are basically known in the art. This is intended to cause a weight reduction. However, in such crankshafts - to an even greater extent than in massive crankshafts - the risk of cracking due to stress concentration at the ends of the base and crank pins.

Aus der DE 38 37 292 A1 ist eine derartige Kurbelwelle bekannt, bei der dieser Gefahr durch Spreizmittel entgegengewirkt wird, die im Bereich der Grund- und Hubzapfen in die Kurbelwangen eingesetzt sind und die eine Vorspannung im Material der Kurbelwangen erzeugen. Bei dieser Kurbelwelle werden die Durchgangslöcher in den Grundzapfen oder Hubzapfen zu ihren Austrittsöffnungen in den Kurbelwangen hin enger. Die Spreizmittel und die nach innen erweiterten Durchgangslöcher bedingen einen relativ hohen Herstellungsaufwand. From the DE 38 37 292 A1 Such a crankshaft is known, in which this risk is counteracted by spreading, which are used in the region of the base and crank pins in the crank webs and produce a bias in the material of the crank webs. In this crankshaft, the through-holes in the base journal or crank pin become narrower toward their outlet openings in the crank webs. The spreading and the inwardly extended through holes require a relatively high production cost.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Kurbelwelle mit hohlen Zapfen dahingehend auszubilden, dass sowohl eine weitere Gewichtsreduktion erreicht wird, als auch die Rißbildungsgefahr vermindert wird. Außerdem soll diese Kurbelwelle mit wenig Aufwand herstellbar sein. The invention is based on the object to form a crankshaft with hollow pin to the effect that both a further weight reduction is achieved, and the risk of cracking is reduced. In addition, this crankshaft should be produced with little effort.

Diese Aufgabe wird durch eine Kurbelwelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved by a crankshaft having the features of claim 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims.

Es hat sich gezeigt, dass Belastungen besser im Material verteilt und Spannungsspitzen minimiert werden, wenn sich die Durchgangslöcher in den Zapfen der Kurbelwelle zu ihren Austrittsöffnungen in den Kurbelwangen hin konisch erweitern statt im Querschnitt konstant zu bleiben, wie üblich, oder sogar enger zu werden, wie in dem o. g. Stand der Technik. It has been found that stresses are better distributed in the material and stress spikes are minimized as the through holes in the trunnions of the crankshaft conically expand toward their outlet openings in the crank webs, rather than remaining constant in cross section, as usual, or even narrower, as in the above State of the art.

Die Begriffe "konisch erweitert" bzw. "Konus", wie hierin verwendet, sind nicht auf die Mantelform von Kreiskegelstümpfen beschränkt, sondern sollen auch Kegelstümpfe mit ovalen Endflächen umfassen. Die Begriffe "konisch erweitert" bzw. "Konus", wie hierin verwendet, sind auch nicht auf die mathematisch exakte Mantelform solcher Kegelstümpfe beschränkt, sondern sollen auch daran angenäherte Formen umfassen, beispielsweise solche, deren Konizität sich über ihre Länge ein wenig ändert, und auch solche, die partielle Aus- oder Einbuchtungen aufweisen, wie sie z. B. durch Ölkanäle in der Kurbelwelle bedingt sein können. The terms "flared" or "cone" as used herein are not limited to the shell shape of circular truncated stumps, but are also intended to include truncated cones with oval end surfaces. The terms "flared" or "cone" as used herein are not limited to the mathematically exact mantle shape of such truncated cones, but are also intended to encompass approximated shapes thereof, for example those whose conicity changes slightly along their length, and also those that have partial bulges or indentations, as z. B. may be due to oil channels in the crankshaft.

In der bevorzugten Ausführungsform sind sämtliche Durchgangslöcher einer Kurbelwelle, d. h. sowohl in den Grundzapfen als auch in den Hubzapfen, zu ihren Austrittsöffnungen in den Kurbelwangen hin konisch erweitert. In the preferred embodiment, all through holes are a crankshaft, i. H. both in the basic pin and in the crank pin, flared towards their outlet openings in the crank webs.

Der Winkel, um den sich die Durchgangslöcher in den Grundzapfen und/oder Hubzapfen konisch erweitern, sollte mindestens 2 Grad bezüglich der entsprechenden Mittelachse betragen, und vorzugsweise beträgt er entweder durchschnittlich oder maximal ungefähr 10 Grad. The angle at which the through-holes in the base and / or crank pins flare should be at least 2 degrees with respect to the corresponding center axis, and preferably it is either average or at most about 10 degrees.

Vorzugsweise ändert sich das Verhältnis des Innendurchmessers des Durchgangslochs jedes Grundzapfens oder Hubzapfens zum Durchmesser einer Haupt- bzw. Pleuellagerfläche an jenem Grund- bzw. Hubzapfen über die Länge jenes Zapfens ungefähr zwischen den Werten 0,35 und 0,6. Das heißt, der kleinste Konusdurchmesser beträgt minimal ungefähr 0,35 mal den Durchmesser der Haupt- bzw. Pleuellagerfläche, und der größte Konusdurchmesser beträgt maximal ungefähr 0,6 mal den Durchmesser der Haupt- bzw. Pleuellagerfläche. Preferably, the ratio of the inner diameter of the through hole of each stud or crank pin to the diameter of a major bearing surface on that crank pin varies approximately between the values of 0.35 and 0.6 over the length of that stud. That is, the smallest cone diameter is minimally about 0.35 times the diameter of the major and conrod bearing surface, and the largest cone diameter is at most about 0.6 times the diameter of the major / conrod bearing surface.

Außerdem ist es günstig, wenn die Durchgangslöcher in den Hubzapfen – aber nicht jene in den Grundzapfen, die bevorzugt einen kreisrunden Querschnitt haben – im Wesentlichen eine ovale Kontur haben. Unter einer ovalen Kontur wird hier nicht der Spezialfall eines Kreises oder einer Ellipse verstanden, sondern eine so genannte Eikurve, die eine geschlossene konvexe glatte Kurve mit genau einer Symmetrieachse ist. Die Spitze der Einkurve soll radial von der Mittelachse der Kurbelwelle weg weisen. Es hat sich gezeigt, dass man auf diese Weise mit noch weniger Material für die Hubzapfen auskommt und gleichzeitig deren Stabilität und Bruchfestigkeit noch mehr verbessern kann. Dies liegt möglicherweise daran, dass sich ein derartiger hohler Hubzapfen unter Fliehkrafteinfluß weniger stark radial verformt als ein Hubzapfen mit einem kreisrunden Durchgangsloch. In addition, it is favorable if the through holes in the crank pins-but not those in the main pins, which preferably have a circular cross section-have an essentially oval contour. An oval contour is not understood to be the special case of a circle or an ellipse, but a so-called eicurve, which is a closed convex smooth curve with exactly one axis of symmetry. The tip of the curve should point radially away from the central axis of the crankshaft. It has been shown that you can do in this way with even less material for the crank pin and at the same time can improve their stability and breaking strength even more. This may be due to the fact that such a hollow crank pin under radial force less radially deformed than a crank pin with a circular through hole.

Eine alternative oder zusätzliche Einsparung von Material und gleichzeitige Verminderung von Spannungskonzentrationen im Material der Kurbelwelle wird erzielt, wenn die Austrittsöffnungen der Durchgangslöcher in den Grundzapfen und/oder Hubzapfen ringsum oder zumindest über den größten Teil ihres Umfangs Ausrundungen aufweisen, deren Krümmungsradius um ein Vielfaches kleiner als der Durchmesser der Lagerfläche des entsprechenden Zapfens ist. Diese Ausrundungen reduzieren die Bauteilspannungen an den Rändern der Öffnungen ganz erheblich, und ihr Beitrag zur Verminderung von Gewicht und Rißbildungsgefahr ist insgesamt größer als jener der ovalen Hubzapfenlöcher. An alternative or additional saving of material and simultaneous reduction of stress concentrations in the material of the crankshaft is achieved when the outlet openings of the through holes in the base journal and / or crank pin round or at least over most of its circumference have fillets whose radius of curvature is many times smaller than the diameter of the bearing surface of the corresponding pin is. These fillets significantly reduce the component stresses at the edges of the apertures, and their contribution to the reduction of Weight and risk of cracking is greater than that of the oval Hubzublöcher.

Die Erfindung eignet sich besonders für hohlgegossene Kurbelwellen, weil der Aufwand zur Herstellung der erfindungsgemäß geformten Grundzapfen und Hubzapfen in so einem Fall relativ gering ist. Die Erfindung kann aber auch bei Kurbelwellen Anwendung finden, die auf andere Weise hergestellt werden, etwa bei hohlgebohrten Kurbelwellen. The invention is particularly suitable for hollow cast crankshafts, because the cost of producing the inventively formed base pin and crankpin in such a case is relatively low. However, the invention can also be applied to crankshafts which are produced in other ways, such as hollow-bored crankshafts.

Es folgt die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Deren einzige Figur zeigt einen Längsschnitt durch einen Abschnitt einer hohlgegossenen Kurbelwelle für einen Mehrzylindermotor sowie in einem gestrichelten Kreis eine Kontur des Durchgangslochs eines Hubzapfens der Kurbelwelle. The following is the description of an embodiment with reference to the drawing. The sole FIGURE thereof shows a longitudinal section through a section of a hollow-cast crankshaft for a multi-cylinder engine and, in a dashed circle, a contour of the through hole of a crank pin of the crankshaft.

Die gezeigte Kurbelwelle enthält Grundzapfen 2, 4, 6, ... die in gleichen Abständen axial entlang einer Mittelachse 8 angeordnet sind und auf ihrer Außenseite jeweils eine zylindrische Hauptlagerfläche 2', 4', 6', ... aufweisen. The crankshaft shown contains basic pins 2 . 4 . 6 , ... at equal intervals axially along a central axis 8th are arranged and on their outer side in each case a cylindrical main bearing surface 2 ' . 4 ' . 6 ' , ... exhibit.

Zwischen je zwei benachbarten Grundzapfen 2, 4, 6, ... liegt jeweils ein Hubzapfen 10, 12, ..., dessen Achse in einem Abstand parallel zu der Mittelachse 8 verläuft und der auf seiner Außenseite eine zylindrische Pleuellagerfläche 10', 12' aufweist. Between every two adjacent basic pins 2 . 4 . 6 , ... is in each case a crankpin 10 . 12 , ..., whose axis is at a distance parallel to the central axis 8th runs and on its outside a cylindrical conrod bearing surface 10 ' . 12 ' having.

Jeder Hubzapfen 10, 12 ist über Kurbelwangen 14, 16, 18, 20, ... mit den benachbarten Grundzapfen 2, 4, 6, ... verbunden. Each crankpin 10 . 12 is over crank arms 14 . 16 . 18 . 20 , ... with the neighboring studs 2 . 4 . 6 , ... connected.

Im Folgenden wird nur derjenige axiale Abschnitt der Kurbelwelle näher beschrieben, der den Grundzapfen 4, den Hubzapfen 10 und die dazugehörigen Kurbelwangen 14, 16 und 18 umfaßt. Die übrigen Grundzapfen und Hubzapfen der Kurbelwelle sind gleich oder ähnlich ausgebildet. In the following, only that axial portion of the crankshaft will be described in detail, the basic pin 4 , the crankpin 10 and the associated crank webs 14 . 16 and 18 includes. The other basic pins and crank pins of the crankshaft are the same or similar.

Der Grundzapfen 4 hat ein axiales Durchgangsloch 22, das sich von einer engsten Stelle, die sich axial mittig innerhalb der zylindrischen Hauptlagerfläche 4' des Grundzapfens 4 befindet, sowohl in Richtung auf seine Austrittsöffnung in der Kurbelwange 16 als auch in Richtung auf seine Austrittsöffnung in der Kurbelwange 18 konisch erweitert. The basic cones 4 has an axial through hole 22 extending from a narrowest point, which is axially centered within the cylindrical main bearing surface 4 ' of the journal 4 located, both towards its outlet opening in the crank arm 16 as well as in the direction of its outlet opening in the crank arm 18 conically expanded.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Innendurchmesser Di-HL des Durchgangslochs 22 des Grundzapfens 4 an seiner engsten Stelle ungefähr 0,45 mal den Durchmesser D-HL der Hauptlagerfläche 4'. Nahe an den Stellen, wo das Durchgangsloch 22 des Grundzapfens 4 jeweils aus den Kurbelwangen 16, 18 austritt, nämlich dort, wo das Durchgangsloch 22 in Ausrundungen 24 übergeht, die das Durchgangsloch 22 mit den Seitenflächen der Kurbelwangen 16, 18 verbinden, beträgt der Innendurchmesser des Durchgangslochs 22 jeweils ungefähr 0,6 mal den Durchmesser D-HL der Hauptlagerfläche 4'. In the embodiment shown, the inner diameter Di-HL of the through hole 22 of the journal 4 at its narrowest point about 0.45 times the diameter D-HL of the main bearing surface 4 ' , Close to the places where the through hole 22 of the journal 4 each from the crank webs 16 . 18 exit, namely where the through hole 22 in rounds 24 passes over the through hole 22 with the side surfaces of the crank webs 16 . 18 connect, the inner diameter of the through hole 22 about 0.6 times the diameter D-HL of the main bearing surface 4 ' ,

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel entsprechen diese Maße einer Konizität des Durchgangslochs 22 von etwas weniger als 10 Grad bezüglich der Mittelachse 8 der Kurbelwelle bzw. des Grundzapfens 4. In the embodiment shown, these dimensions correspond to a conicity of the through-hole 22 of a little less than 10 degrees with respect to the central axis 8th the crankshaft or the parent pin 4 ,

Die Ausrundungen 24 befinden sich praktisch am ganzen Umfang der Austrittsöffnungen, und ihr Krümmungsradius ist um ein Vielfaches kleiner als der Durchmesser der Hauptlagerfläche 4' und beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ungefähr ein Zehntel des Durchmessers der Hauptlagerfläche 4'. The fillets 24 are located practically on the entire circumference of the outlet openings, and their radius of curvature is many times smaller than the diameter of the main bearing surface 4 ' and in the embodiment shown is approximately one tenth of the diameter of the main bearing surface 4 ' ,

Die konischen Konturen des Durchgangslochs 22 des Grundzapfens 4 sind nicht überall regulär, sondern sind insbesondere im Bereich eines Ölkanals 26 ein wenig verformt, um eine ausreichende Wandstärke des Ölkanals 26 sicherzustellen. The conical contours of the through hole 22 of the journal 4 are not regular everywhere, but are especially in the area of an oil channel 26 a little deformed to a sufficient wall thickness of the oil channel 26 sure.

Der Hubzapfen 10 hat ein axiales Durchgangsloch 28, das sich von einer engsten Stelle, die sich axial mittig innerhalb der zylindrischen Pleuellagerfläche 10' des Hubzapfens 10 befindet, sowohl in Richtung auf seine Austrittsöffnung in der Kurbelwange 14 als auch in Richtung auf seine Austrittsöffnung in der Kurbelwange 16 konisch erweitert. The crankpin 10 has an axial through hole 28 that extends from a narrowest point, which is axially centered inside the cylindrical connecting rod bearing surface 10 ' of the journal 10 located, both towards its outlet opening in the crank arm 14 as well as in the direction of its outlet opening in the crank arm 16 conically expanded.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Innendurchmesser Di-PL des Durchgangslochs 28 des Hubzapfens 10 an seiner engsten Stelle ungefähr 0,42 mal den Durchmesser D-PL der Pleuellagerfläche 10'. Nahe an den Stellen, wo das Durchgangsloch 28 des Hubzapfens 10 jeweils aus den Kurbelwangen 14, 16 austritt, nämlich dort, wo das Durchgangsloch 28 in Ausrundungen 30 übergeht, die das Durchgangsloch 28 mit den Seitenflächen der Kurbelwangen 16, 18 verbinden, beträgt der Innendurchmesser des Durchgangslochs 28 jeweils ungefähr 0,5 mal den Durchmesser D-PL der Pleuellagerfläche 10'. In the embodiment shown, the inner diameter Di-PL of the through hole 28 of the journal 10 at its narrowest point about 0.42 times the diameter D-PL of the connecting rod bearing surface 10 ' , Close to the places where the through hole 28 of the journal 10 each from the crank webs 14 . 16 exit, namely where the through hole 28 in rounds 30 passes over the through hole 28 with the side surfaces of the crank webs 16 . 18 connect, the inner diameter of the through hole 28 each about 0.5 times the diameter D-PL of the connecting rod bearing surface 10 ' ,

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel entsprechen diese Maße einer Konizität des Durchgangslochs 28 von ungefähr 10 Grad bezüglich der Mittelachse des Hubzapfens 10. In the embodiment shown, these dimensions correspond to a conicity of the through-hole 28 of about 10 degrees with respect to the center axis of the journal 10 ,

Die Ausrundungen 30 verlaufen praktisch über den ganzen Umfang der Austrittsöffnungen, und ihr Krümmungsradius ist um ein Vielfaches kleiner als der Durchmesser der Pleuellagerfläche 10' und beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ungefähr ein Zehntel des Durchmessers der Pleuellagerfläche 10'. The fillets 30 run virtually over the entire circumference of the outlet openings, and their radius of curvature is many times smaller than the diameter of the connecting rod bearing surface 10 ' and is in the illustrated embodiment about one-tenth of the diameter of the connecting rod bearing surface 10 ' ,

Die konischen Konturen des Durchgangslochs 28 des Hubzapfens 10 sind nicht überall regulär, sondern sind insbesondere im Bereich des Ölkanals 26 ein wenig verformt. The conical contours of the through hole 28 of the journal 10 are not everywhere regular but are especially in the area of the oil channel 26 a little deformed.

Außerdem ist der Querschnitt der konischen Konturen des Durchgangslochs 28 des Hubzapfens 10 nicht rund, wie bei dem Durchgangsloch 22 des Grundzapfens 4, sondern er wird durch ein Oval gebildet, das eine Eikurve ist, deren Spitze radial von der Mittelachse 8 der Kurbelwelle weg weist. Ein derartiges Oval ist in der Figur in einem separaten gestrichelten Kreis eingezeichnet. Darin erkennt man die Kontur des Durchgangslochs 28 entlang einer gestrichelten Linie 32, wie in Richtung der Mittelachse 8 der Kurbelwelle betrachtet. In addition, the cross section of the conical contours of the through hole 28 of the journal 10 not round, as with the through hole 22 of the journal 4 but it is formed by an oval, which is an Eikurve whose tip is radially from the central axis 8th the crankshaft points away. Such an oval is shown in the figure in a separate dashed circle. In it you can see the contour of the through hole 28 along a dashed line 32 , as in the direction of the central axis 8th considered the crankshaft.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 3837292 A1 [0003]

Claims

Crankshaft for internal combustion engines, with at least two basic pins ( 2 . 4 ) and at least one crankpin ( 10 ), which over crank webs ( 14 . 16 ) with the neighboring studs ( 4 ), the basic pins ( 4 ) and crank pins ( 10 ) each have an axial through hole ( 22 . 28 ), characterized in that the through holes ( 22 . 28 ) in the basic cones ( 4 ) or in the crankpin ( 10 ) to their outlet openings in the crank webs ( 14 . 16 ) conically expand.

Crankshaft according to claim 1, characterized in that both the through holes ( 22 ) in the basic cones ( 4 ) as well as the through holes ( 28 ) in the crankpin ( 10 ) to their outlet openings in the crank webs ( 14 . 16 ) conically expand.

Crankshaft according to claim 1 or 2, characterized in that the through holes ( 22 . 28 ) in the basic cones ( 4 ) and / or crank pins ( 10 ) at angles of at least 2 degrees conically from the respective central axis.

Crankshaft according to one of the preceding claims, characterized in that the through holes ( 22 . 28 ) in the basic cones ( 4 ) and / or crank pins ( 10 ) substantially conically at angles of maximum or average about 10 degrees from the respective central axis.

Crankshaft according to one of the preceding claims, characterized in that the ratio of the inner diameter (Di-HL) of the through-hole ( 22 ) of each journal ( 4 ) to the diameter (D-HL) of a main bearing surface ( 4 ' ) on the basic journal ( 4 ) varies approximately between 0.35 and 0.6 over the length of the parent pin.

Crankshaft according to one of the preceding claims, characterized in that the ratio of the inner diameter (Di-PL) of the through-hole ( 28 ) of the or each crankpin ( 10 ) to the diameter (D-PL) of a connecting rod bearing surface ( 10 ' ) on the crankpin ( 10 ) varies approximately between 0.35 and 0.6 over the length of the crankpin.

Crankshaft according to one of the preceding claims, characterized in that each through-hole ( 28 ) in a crankpin ( 10 ) has substantially an oval contour, which is in particular an egg curve whose tip is radially from the central axis ( 8th ) the crankshaft points away.

Crankshaft according to one of the preceding claims, characterized in that the outlet openings of the through holes ( 22 . 28 ) in the basic cones ( 4 ) and / or crank pins ( 10 ) essentially around fillets ( 24 . 30 ) whose radius of curvature is smaller by a multiple than the diameter of the bearing surface ( 4 ' . 10 ' ) of the corresponding journal ( 4 ) or Hubzapfens ( 10 ).

Crankshaft according to one of the preceding claims, characterized in that the crankshaft is a cast crankshaft.