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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer sich entlang einer Wellenachse erstreckenden Kurbelwelle mittels eines Schmiedewerkzeugs, mit dem die Kurbelwelle unter Bildung einer Teilungsnaht geschmiedet wird und wobei zumindest ein sich längs der Wellenachse erstreckender Schwenkabschnitt umfassend wenigstens einen Hubzapfen nach dem Schmiedevorgang in eine Schwenkstellung um die Wellenachse aus einer Grundebene der Kurbelwelle heraus verdreht wird, sodass wenigstens ein Hubzapfen der Kurbelwelle in eine endgültige Stellung gebracht wird.
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STAND DER TECHNIK
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Zur Herstellung von Kurbelwellen sind Verfahren bekannt, bei dem die Kurbelwelle zwischen einem Obergesenk und einem Untergesenk geschmiedet wird, wobei die Kurbelwelle Hubzapfen zur Aufnahme von Pleuels aufweisen, die im Schmiedeprozess noch nicht ihre erforderliche Rotationsstellung um die Wellenachse aufweisen. Beispielsweise können die Hubzapfen gemeinsam mit den Hauptlagern der Kurbelwelle in einer Ebene liegend geschmiedet werden (das sogenannte flache Schmieden), und anschließend erfolgt ein Verdrehvorgang (sogenanntes Twisten), um wenigstens einen Schwenkabschnitt der Kurbelwelle, in dem zumindest ein oder auch mehrere Hubzapfen liegen, in eine Schwenkstellung zu verdrehen. Dadurch wird erreicht, dass die Schmiedewerkzeuge in ihrer Hubrichtung keine tiefe Topographie aufweisen müssen, wodurch sich eine Schwächung von Werkzeugbereichen ergeben kann und diese frühzeitig ausfallen können.
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Nachteilig ist jedoch ein sich flacher ergebender Verlauf der Teilungsnaht zwischen dem Obergesenk und dem Untergesenk, der mit bruchkritischen Bereichen der Kurbelwelle zusammenfallen kann. Beispielsweise weist die Kurbelwelle Übergangsbereiche zwischen den Hauptlagern und den Hubzapfen auf, die bruchkritisch sind. Ferner können Ölkanäle zur Beölung der Hubzapfen oder auch Huberleichterungsbohrungen zur Reduktion des Gewichtes in den Hubzapfen vorhanden sein, und es ist wünschenswert, dass der Verlauf der Teilungsnaht nicht in diesen bruchkritischen Bereichen liegt.
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Die Teilungsnaht der Kurbelwelle entsteht in der Trennungsebene zwischen dem Obergesenk und dem Untergesenk, und durch das Herauspressen von überschüssigem Material des Schmiedestückes können sogenannte Ausseigerungen entstehen, welche der Dauerfestigkeit der Kurbelwelle nicht zuträglich sind. Im Spalt zwischen dem Obergesenk und dem Untergesenk wird das herausgepresste überschüssige Material nach dem Schmiedevorgang durch ein Abgraten abgeschert, wobei die Kurbelwelle anschließend noch kalibriert werden kann.
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Aus der
DE 10 2006 043 617 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle bekannt, mit dem die Kurbelwelle zwischen einem Obergesenk und einem Untergesenk geschmiedet werden kann, und es wird vorgeschlagen, anschließend keine Verdrehung eines Schwenkabschnittes der Kurbelwelle vorzusehen, wodurch jedoch sehr große topographische Tiefen in den Werkzeughälften des Schmiedewerkzeugs erforderlich werden.
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Aus der
DE 10 2007 002 826 B4 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle bekannt, wobei der Schmiedevorgang so ausgeführt wird, dass mindestens ein Abschnitt der Teilungsnaht außerhalb einer Ebene verläuft, in der die Drehachse der Kurbelwelle liegt. Dadurch kann die Teilungsnaht beispielsweise um einen Übergangsbereich zwischen einem Hauptlager und einem Hubzapfen der Kurbelwelle herumgeführt werden, bei Berücksichtigung weiterer bruchkritischer Bereiche der Kurbelwelle würde jedoch die Teilungsnaht eine zu tiefe Topographie im Ober- und/oder Untergesenk des Schmiedewerkzeugs erfordern.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der Erfindung ergibt sich folglich aus der Forderung einer flachen Werkzeugtopographie zur Herstellung einer Kurbelwelle, die einen Verlauf einer Teilungsnaht aufweist, der möglichst beabstandet zu bruchkritischen Bereichen der Kurbelwelle verläuft.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein Schmiedewerkzeug nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das bereitgestellte Schmiedewerkzeug wenigstens einen Werkzeugabschnitt aufweist, mit dem der Schwenkabschnitt umfassend wenigstens einen Hubzapfen der Kurbelwelle um einen Vorpositionswinkel in eine Vorposition vorverdreht geschmiedet wird, wobei der Vorpositionswinkel kleiner ist als ein Gesamtschwenkwinkel zwischen der Grundebene und der endgültigen Stellung der Hubzapfen, und wobei die Teilungsnaht einen in den Schwenkabschnitt hinein geführten Nahtabschnitt aufweist und wobei nach dem Schmiedevorgang die Verdrehung des Schwenkabschnittes von der Vorposition in die Schwenkstellung ausgeführt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle basiert auf dem Gedanken, den oder die Hubzapfen in einem Vorpositionswinkel relativ zu einer Grundebene der Kurbelwelle bereits vorverdreht zu schmieden, um anschließend durch ein weiteres Verdrehen den Schwenkabschnitt mit den vorverdrehten Hubzapfen in eine endgültige Verschwenkposition zu bringen, mit dem sich ein Gesamtschwenkwinkel zwischen der Grundebene und der jeweiligen Hubzapfenposition ergibt, unter dem sich die Hubzapfen in ihrer späteren Gebrauchsposition befinden. Diesen weiteren Verschwenkvorgang der Hubzapfen bezeichnet man auch als Twisten. Folglich ist der Vorpositionswinkel kleiner als der Gesamtschwenkwinkel, und der Vorpositionswinkel kann beispielsweise 10° bis 40° und vorzugsweise 20° bis 30° betragen, wohingegen der Gesamtschwenkwinkel beispielsweise bis zu 90° betragen kann.
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In Kombination mit der Vorverdrehung der Hubzapfen in die Vorpositionswinkel ergibt sich jeweils ein besonders vorteilhafter Verlauf der aus der Grundebene in den Schwenkabschnitt hinein geführten Verlauf der Teilungsnaht, um diese um die bruchkritischen Bereiche der Kurbelwelle herumzuführen. Durch die Vorverdrehung der Hubzapfen muss der Verlauf der Teilungsnaht keine großen topographischen Höhen im Schmiedegesenk aufweisen, und die Teilungsnaht kann beispielsweise auf ein oder zwei treppenstufenartige Ebenen beschränkt werden, die keine große Höhendifferenz zueinander aufweisen, um dennoch im Wesentlichen sämtliche bruchkritischen Bereiche der Kurbelwelle mit der Teilungsnaht zu umwandern.
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Mit besonderem Vorteil können die Hubzapfen durch den Schmiedevorgang der Kurbelwelle wechselweise oberhalb oder unterhalb der Grundebene um die Wellenachse vorverdreht werden, wobei die Wellenachse in der Grundebene liegen kann. Beispielsweise können im Schwenkabschnitt zwei Hubzapfen auf gegenüberliegenden Seiten der Wellenachse liegen, und ein erster Hubzapfen kann oberhalb und beispielsweise ein weiterer Hubzapfen kann unterhalb der Grundebene in seiner Vorposition positioniert sein. Wird der Schwenkabschnitt in die endgültige Schwenkstellung verdreht, so schwenken die Hubzapfen um die Wellenachse ebenfalls in ihre jeweils endgültige Position.
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Der besondere Vorteil einer reduzierten Topographiehöhe der Schmiedegesenke unter gleichzeitiger Meidung des Verlaufes der Teilungsnaht durch bruchkritische Bereiche der Kurbelwelle wird dann auf besondere Weise erreicht, wenn zumindest ein Nahtabschnitt der Teilungsnaht in Richtung der vorpositionierten Hubzapfen beispielsweise stufenweise aus der Grundebene herausgeführt ist. Durch die Vorverdrehung der Hubzapfen kann der aus der Grundebene der Kurbelwelle herausgeführte Nahtabschnitt beispielsweise zwischen zwei kritischen Bereichen der Kurbelwelle verlaufen, ohne dass der Nahtabschnitt sämtliche kritischen Bereiche gerade im Bereich der Hubzapfen entweder auf einer ersten Seite oder auf einer zweiten Seite bzw. oberhalb oder unterhalb umwandern muss.
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Ein bruchkritischer Bereich der Kurbelwelle entspricht beispielsweise dem Übergangsbereich zwischen einem Hauptlager der Kurbelwelle und dem Hubzapfen. So kann die Teilungsnaht im Schmiedevorgang durch die vorverdrehte Anordnung der Hubzapfen außerhalb dieses Übergangsbereiches gebildet sein, ohne eine große Abstufung aufzuweisen. Weiterhin kann die Teilungsnaht im Schmiedevorgang durch den in den verdrehten Schwenkabschnitt hineingeführten Nahtabschnitt außerhalb des Übergangsbereiches zwischen dem Hauptlager und dem Hubzapfen gebildet sein. Insbesondere durch die Kombination einerseits der Vorverdrehung der Hubzapfen und andererseits der Herausführung des Nahtabschnittes aus der Grundebene in Richtung der vorverdrehten Hubzapfen wird der Vorteil erreicht, dass besonders bruchkritische Bereiche der Kurbelwelle nicht durch den Verlauf der Teilungsnaht zusätzlich negativ beeinflusst werden, ohne dass das Schmiedewerkzeug besonders hohe Topographien aufweisen müsste.
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Als weitere bruchgefährdete Stellen der Kurbelwelle sind Huberleichterungsbohrungen in den Hubzapfen bekannt, wobei die Teilungsnaht im Schmiedevorgang beabstandet zu den Huberleichterungsbohrungen in den Hubzapfen ausgeführt sein kann. Weiterhin können die Hubzapfen Ölkanäle oder OT-Positionen aufweisen, und die Teilungsnaht kann im Schmiedevorgang beabstandet zu den Ölkanälen bzw. beanstandet zu den OT-Positionen verlaufen, welche die Lastposition auf den Hubzapfen durch die Pleuel im oberen Totpunkt einer Brennkraftmaschine beschreiben.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Auslegung eines Schmiedewerkzeugs mit einem Obergesenk und mit einem Untergesenk zum Schmieden einer sich entlang einer Wellenachse erstreckenden Kurbelwelle, wobei im Schmiedewerkzeug wenigstens ein Werkzeugabschnitt vorgesehen wird, mit dem ein Schwenkabschnitt der Kurbelwelle um einen Vorpositionswinkel in eine Vorposition vorverdreht geschmiedet wird, welcher Vorpositionswinkel kleiner ist als ein Gesamtschwenkwinkel zwischen einer Grundebene der Kurbelwelle und einer endgültigen Stellung des wenigstens einen Hubzapfens der Kurbelwelle. Das Schmiedewerkzeug zeichnet sich hinsichtlich seiner Auslegung insbesondere dadurch aus, dass die Hubzapfen der Kurbelwelle mit den Hauptlagern der Kurbelwelle nicht in einer Ebene liegen. Vielmehr liegen die Hubzapfen oberhalb und unterhalb der Grundebene verteilt, wobei die Hubzapfen lediglich um einen Vorpositionswinkel um die Wellenachse verschwenkt sind. Das Schmiedewerkzeug weist dabei andererseits keine Form auf, mit der die Kurbelwelle bereits in ihre endgültige Gestalt geschmiedet würde.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass zwischen dem Obergesenk und dem Untergesenk ein Trennungsverlauf so ausgelegt ist, dass eine sich ergebende Teilungsnaht im Trennungsverlauf der Kurbelwelle einen aus einer Grundebene der Kurbelwelle abgelenkten Nahtabschnitt aufweist, der in den vorverdrehten Schwenkabschnitt hinein verläuft. Der Schwenkabschnitt kann dabei beispielsweise zwei sich gegenüberliegende Hubzapfen aufweisen, und ein Hubzapfen wird oberhalb und ein weiterer Hubzapfen wird unterhalb der Grundebene verschwenkt, wobei der Schwenkabschnitt vorliegend als Einheit betrachtet wird, die in ihrer Form und in der Anordnung ihrer umfassten Hubzapfen nicht verändert wird, sodass der Schwenkabschnitt um die Wellenachse verdreht ist, während die Hubzapfen um die Wellenachse verschwenkt sind.
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Die vorliegende Erfindung richtet sich ferner auf eine Kurbelwelle beispielsweise für eine Brennkraftmaschine, die hergestellt ist nach einem Verfahren zur Herstellung der Kurbelwelle wie vorstehend beschrieben, insbesondere mit einem Schmiedewerkzeug, dass ausgelegt ist nach einem Verfahren wie vorstehend beschrieben.
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Weiterhin richtet sich die Erfindung auf ein Schmiedewerkzeug mit einem Obergesenk und mit einem Untergesenk zum Schmieden einer sich entlang einer Wellenachse erstreckenden Kurbelwelle, wobei im Schmiedewerkzeug wenigstens ein Werkzeugabschnitt vorgesehen ist, mit dem ein Schwenkabschnitt der Kurbelwelle um einen Vorpositionswinkel in eine Vorposition vorverdreht schmiedbar ist, welcher Vorpositionswinkel kleiner ist als ein Gesamtschwenkwinkel zwischen einer Grundebene der Kurbelwelle und einer endgültigen Stellung des wenigstens einen Hubzapfens der Kurbelwelle.
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BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 eine Seitenansicht einer Kurbelwelle mit einem vorpositionierten Hubzapfen der Kurbelwelle,
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2 eine perspektivische Ansicht der Kurbelwelle mit dem vorpositionierten Hubzapfen und
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3 eine perspektivische Ansicht der Kurbelwelle mit einem Schwenkabschnitt in einer endgültigen Schwenkstellung.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Kurbelwelle 1, die in ihrer Gestalt einem Zwischenstadium nach dem Schmiedeverfahren entspricht, welches durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Kurbelwelle 1 gebildet wird. Die Kurbelwelle 1 weist eine Wellenachse 10 auf und ist einteilig ausgebildet. Die Kurbelwelle 1 wird in einem Schmiedeverfahren mittels eines Schmiedewerkzeugs mit einem Obergesenk und mit einem Untergesenk hergestellt. Durch den Trennungsverlauf zwischen dem Obergesenk und dem Untergesenk entsteht eine gezeigte Teilungsnaht 11, wie diese durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Kurbelwelle 1 verlaufen kann. Zum Vergleich ist eine Teilungsnaht 11' gezeigt, wie diese aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die aus dem Stand der Technik bekannte Teilungsnaht 11' verläuft gerade durch die Wellenachse 10 und weiterhin etwa durch die Achse des Hubzapfens 14, die durch eine Huberleichterungsbohrung 16 etwa mittig im Hubzapfen 14 erkennbar ist. Weiterhin befindet sich zwischen einem Hauptlager 18 der Kurbelwelle 1 und dem Hubzapfen 14 ein Übergangsbereich 15, der durch die Teilungsnaht 11' gemäß dem Stand der Technik ebenfalls durchlaufen wird. Auf der oberen Seite des Hubzapfens 14 befindet sich eine OT-Position, die in Wirkverbindung mit einer Pleuel im oberen Totpunkt (OT) in einer Brennkraftmaschine mechanisch besonders hoch belastet ist und auch außerhalb einer Teilungsnaht verlaufen sollte, wobei gezeigt ist, dass auch dieser bruchkritische Bereich gemäß dem Stand der Technik in der Teilungsnaht 11' liegt.
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Die Kurbelwelle 1 besitzt eine Grundebene 13, in der die Wellenachse 10 liegt. Aus dieser Grundebene 13 ist ein mit einer Linie angedeuteter Schwenkabschnitt 12 um einen Vorpositionswinkel β um die Wellenachse 10 verdreht gezeigt, und ein beispielhaft dargestellter Hubzapfen 14 liegt bereits nicht mehr in der Grundebene 13 sondern ist im vorverschwenkten Schwenkabschnitt 12 liegend durch den Schmiedevorgang vorpositioniert. Der Vorpositionswinkel β entspricht dabei nicht bereits dem Verschwenkwinkel des Schwenkabschnittes 12, wie dieser beim aus dem Stand der Technik bekannten Twisten der Kurbelwelle 1 bekannt ist, sondern der Vorpositionswinkel β ist kleiner als ein Gesamtschwenkwinkel γ zur Vertwistung des Schwenkabschnittes 12 in eine endgültige Stellung, siehe hierzu 3.
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Der angegebene Schwenkabschnitt 12 gibt beispielhaft nur den mittleren Bereich der gesamten Kurbelwelle 1 wieder, wobei auch der vordere oder der hintere, jeweils ruhend dargestellte Bereich den betreffenden oder sogar einen weiteren Schwenkabschnitt bilden kann, während beispielsweise der mittlere graphisch angezeigte Schwenkabschnitt 12 ruhen kann. Weiterhin können alle beispielhaft gebildeten drei Bereiche relativ zueinander in einem entsprechenden Werkzeug verdreht werden, sodass sich der Verschwenkwinkel α etwa auch aus Einzelverdrehungen verschiedener Abschnitte zueinander ergeben kann.
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Der Verlauf der Teilungsnaht 11 weist einen Nahtabschnitt 11a auf, der in den vorverdrehten Hubzapfen 14 im Schwenkabschnitt 12 hineinragt und damit die Grundebene 13 verlässt. Bei Betrachtung des Nahtabschnittes 11a der Teilungsnaht 11 wird deutlich, dass dieser keinen der kritischen Bereiche 15, 16, 17 und 20 der Kurbelwelle 1 durchläuft, wobei ferner erkennbar ist, dass keine größeren Hinterschnitte im Obergesenk und/oder im Untergesenk eines – nicht gezeigten – Schmiedewerkzeugs notwendig sind, um den Hubzapfen 14 in der gezeigten Vorposition zu schmieden.
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2 zeigt den Ausschnitt der Kurbelwelle 1 gemäß 1 in einer perspektivischen Ansicht. In dieser Ansicht sind die kritischen Bereiche gebildet durch den Übergangsbereich 15 zwischen dem Hubzapfen 14 und dem Hauptlager 18, der Huberleichterungsbohrung 16 und durch Ölkanäle 17 im Hubzapfen 14 ebenfalls sichtbar. Die an gezeigter Stelle vorhandenen Ölkanäle 17 münden in der Gleitlageroberfläche des Hubzapfens 14 und liegen ebenfalls nicht in der Teilungsnaht 11. Der Verlauf der als abgestufte Ebene dargestellten Teilungsnaht 11 insbesondere mit dem Nahtabschnitt 11a verdeutlicht in der perspektivischen Ansicht, dass einerseits durch die Vorverdrehung des Hubzapfens 14 um den Vorpositionswinkel β und durch das Herausführen des Nahtabschnittes 11a aus der Grundebene 13 ein besonders vorteilhafter Verlauf einer Teilungsnaht 11 beabstandet zu den vorgenannten bruchkritischen Bereichen entsteht. Der ausschnittsweise gezeigte Nahtabschnitt 11a ist in Richtung zum über die Grundebene 13 vorverdrehten Hubzapfen 14 abgelenkt, und weitere Hubzapfen 14 der Kurbelwelle 1 können beispielsweise auch unter die Grundebene 13 vorverdreht sein, sodass in diesem Bereich der Nahtabschnitt 11a ebenfalls unter die Grundebene 13 geführt sein kann, also genauso wieder in Richtung zum Hubzapfen 14. Folglich ist die Auslenkung des Nahtabschnittes 11a aus der Grundebene 13 vorzugsweise immer in der Richtung vorgesehen, in die der Hubzapfen 14 vorverdreht ist.
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3 zeigt schließlich eine perspektivische Ansicht einer Kurbelwelle 1 mit mehreren Hubzapfen 14 und mehreren Hauptlagern 18 sowie mehreren Gegengewichten 19. Die Kurbelwelle 1 erstreckt sich um die Wellenachse 10 und es ist ein Schwenkabschnitt 12 gezeigt, der um die Wellenachse 10 um einen Verschwenkwinkel α verdreht ist, sodass sich für die Hubzapfen 14 ein Gesamtverschwenkwinkel γ ergibt, der sich aus der Summe des Vorpositionswinkels β und des weiteren Verschwenkwinkels α ergibt. Durch das Verdrehen des sich im Schwenkabschnitt 12 befindenden Teiles der Kurbelwelle 1 wandert ein erster Hubzapfen 14 unter die gezeigte Grundebene 13, die mit einem Teil der als Ebene gezeigten Teilungsnaht 11 zusammenfällt, und ein weiterer Hubzapfen 14 wandert über die Grundebene 13, wobei die beiden Hubzapfen 14 durch ihre Kröpfung auf gegenüberliegenden Seiten der Wellenachse 10 liegen. Der Verlauf der Teilungsnaht 11 macht dabei deutlich, dass dieser so aus der Grundebene 13 ausgelenkt ist, dass der Verlauf der Teilungsnaht 11 immer in Richtung zu den Hubzapfen 14 verläuft.
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Der Schwenkabschnitt 12 ist um den Verschwenkwinkel α um die Wellenachse 10 verdreht, der sich zwischen der Grundebene 13 und der gezeigten Schwenkstellung A erstreckt. Die gesamte Verdrehung der Hubzapfen 14 ergibt sich folglich aus dem Verschwenkwinkel α und den Vorpositionswinkel β, und es ist an der angezeigten Hubzapfenposition X erkennbar, dass der Hubzapfen 14 im Wesentlichen noch unterhalb der Teilungsnaht 11 liegt, sodass der Hubzapfen 14 durch den Vorpositionswinkel β sowie durch den Verschwenkwinkel α weit unter die Grundebene 13 verschwenkt wurde. Weiterhin ist an der Hubzapfenposition Y erkennbar, dass der an dieser Stelle gezeigte Hubzapfen 14 größtenteils über der als Ebene gezeigten Teilungsnaht 11 liegt, sodass dieser Hubzapfen 14 ebenfalls durch das erfindungsgemäße Schmiedeverfahren mit dem Vorpositionswinkel β und anschließend durch die Verdrehoperation durch den Verschwenkwinkel α aus der Grundebene 13 weit heraus gedreht ist.
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Der dargestellte Verschwenkwinkel α ist im Ausführungsbeispiel größer als der dargestellte Vorpositionswinkel β, wobei auch die Möglichkeit besteht, dass der Vorpositionswinkel β größer ist als der Verschwenkwinkel α, sodass die Summe aus einem kleineren Verschwenkwinkel α und einem größeren Vorpositionswinkel β den gleichen Gesamtverschwenkwinkel γ ergibt, der in der Regel nicht größer ist als 90°.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kurbelwelle
- 10
- Wellenachse
- 11
- Teilungsnaht
- 11'
- Teilungsnaht gemäß Stand der Technik
- 11a
- Nahtabschnitt
- 12
- Schwenkabschnitt
- 13
- Grundebene
- 14
- Hubzapfen
- 15
- Übergangsbereich
- 16
- Huberleichterungsbohrung
- 17
- Ölkanal
- 18
- Hauptlager
- 19
- Gegengewicht
- 20
- OT-Position (OT = Oberer Totpunkt)
- A
- Schwenkstellung
- α
- Verschwenkwinkel
- β
- Vorpositionswinkel
- γ
- Gesamtschwenkwinkel
- X
- Hubzapfenposition
- Y
- Hubzapfenposition
