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Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Brennkraftmaschine nach dem Anspruch 4 und ein Verfahren nach dem Anspruch 6.
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Aus der
DE 22 02 371 ist bereits eine Kurbelwelle für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs bekannt, die mehrere als Bohrungen ausgebildete Wuchtfehlstellen aufweist.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein Gewicht der Kurbelwelle und weiter der Brennkraftmaschine zu reduzieren. Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Kurbelwelle entsprechend dem Anspruch 1, eine Brennkraftmaschine entsprechend dem Anspruch 4 und ein Verfahren entsprechend dem Anspruch 6 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung geht aus von einer Kurbelwelle für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit zumindest einem Abtriebsrad, das zur Ausleitung eines Moments vorgesehen ist.
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Es wird vorgeschlagen, dass das Abtriebsrad zumindest eine zur Gewichtsreduktion vorgesehene Materialfehlstelle aufweist, durch die es als Gegengewicht ausgebildet ist. Dadurch kann das Abtriebsrad zusätzlich als ein Gegengewicht fungieren und damit zum Massenausgleich genutzt werden, wodurch bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion ein Massenausgleich optimiert werden kann. Durch ein Einbringen der zumindest einen Materialfehlstelle in das Abtriebsrad kann zumindest auf ein zusätzliches Gegengewicht verzichtet oder ein zusätzliches Gegengewicht besonders klein ausgeführt werden, wodurch bei gleichzeitigem Optimieren des Massenausgleichs ein Gewichtsersparnis durch die Materialfehlstelle und zusätzlich durch den Verzicht oder die Verkleinerung des zusätzlichen Gegengewichts realisiert werden kann. Der Massenausgleich kann besonders gewichtssparend optimiert werden, wodurch eine nachfolgende Auswuchtung der Kurbelwelle vereinfacht werden kann oder im Idealfall sogar entfallen kann. Dadurch kann ein Gewicht der Kurbelwelle und damit der Brennkraftmaschine reduziert werden. Insbesondere Kurbelwellen, deren zumindest durch das Abtriebsrad resultierende aufwendige Form einen Massenausgleich erfordert, beispielsweise in Form von asymmetrisch angeordneten Gegengewichten, können dadurch besonders gewichtssparend ausgebildet werden. Die zumindest eine Materialfehlstelle in dem Abtriebsrad bildet das Abtriebsrad durch die Gewichtsreduktion vorteilhaft als ein Gegengewicht aus und ersetzt oder verkleinert dadurch vorzugsweise zumindest ein zusätzliches Gegengewicht. Die zumindest eine Materialfehlstelle beeinflusst eine Hauptträgheitsachse der Kurbelwelle vorteilhaft in gleicher Form wie ein in Bezug auf eine Rotationsachse der Kurbelwelle gegenüberliegend angeordnetes Gegengewicht. Durch den Entfall des zusätzlichen Gegengewichts oder die Verkleinerung des zusätzlichen Gegengewichts können weiter Materialkosten und Herstellkosten reduziert werden, wodurch eine besonders preiswerte, in Leichtbauweise ausgeführte Kurbelwelle bereitgestellt werden kann. Unter einem „Gegengewicht soll insbesondere eine Masse verstanden werden, die die Kurbelwelle zum Anpassen und/oder Angleichen der Hauptträgheitsachse an die Rotationsachse aufweist, wobei das Gegengewicht vorzugsweise vor dem Auswuchten der Kurbelwelle und/oder unabhängig von einer Unwuchtmessung ausgeformt, beispielsweise durch einen Gießvorgang, oder an der Kurbelwelle angebracht wird. Unter „vorgesehen” soll insbesondere speziell ausgelegt, ausgestattet und/oder angeordnet verstanden werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Materialfehlstelle unabhängig von einer Wuchtfehlstelle ausgebildet ist. Dadurch kann die Gewichtsreduktion bereits vor dem Auswuchten der Kurbelwelle erfolgen, wodurch die Herstellung der das Abtriebsrad aufweisenden Kurbelwelle preiswerter gestaltet werden kann. Unter einer „Wuchtfehlstelle” soll insbesondere eine Fehlstelle verstanden werden, die in einem Auswuchtvorgang in die Kurbelwelle eingebracht wird, d. h. eine Materialfehlstelle, die nach dem Formen der Kurbelwelle mit dem Abtriebsrad in Abhängigkeit von einer Unwuchtmessung in die Kurbelwelle eingebracht wird, damit die Hauptträgheitsachse koaxial zu der Rotationsachse verläuft. Unter einer „von einer Wuchtfehlstelle unabhängigen Materialfehlstelle” soll insbesondere eine Materialfehlstelle verstanden werden, deren Position unabhängig von einer tatsächlichen Unwucht direkt nach einer Fertigung der Kurbelwelle und vor einer Unwuchtmessung ist. Insbesondere soll darunter eine Materialfehlstelle verstanden werden, die räumlich entfernt von einer während des Auswuchtvorgangs angebrachten Wuchtfehlstelle angeordnet ist.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Kurbelwelle zumindest einen zur Anbindung an einen Pleuel vorgesehenen Hubzapfen aufweist, der bezüglich einer Rotationsachse radial gegenüberliegend zu der zumindest einen Materialfehlstelle an dem Abtriebsrad angebunden ist, wodurch die Hauptträgheitsachse besonders vorteilhaft an die Rotationsachse angepasst werden kann.
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Weiter wird eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, mit einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle vorgeschlagen, wodurch ein Gewicht der Brennkraftmaschine reduziert werden kann.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Brennkraftmaschine einen Lanchesterausgleich aufweist, der antriebstechnisch an das Abtriebsrad angebunden ist, wodurch das als Gegengewicht ausgebildete Abtriebsrad zum Antrieb zumindest einer Ausgleichswelle des Lanchesterausgleichs genutzt werden kann.
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Außerdem wird ein Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle, vorgeschlagen, die zumindest ein zur Ausleitung eines Moments vorgesehenes Abtriebsrad aufweist, bei dem vor einem Auswuchtvorgang der Kurbelwelle zumindest eine zur Gewichtsreduktion vorgesehene Materialfehlstelle in das Abtriebsrad eingebracht wird. Dadurch kann das Abtriebsrad als ein Gegengewicht ausgebildet werden, wodurch eine besonders leichte Kurbelwelle hergestellt werden kann.
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Um eine möglichst leichte Kurbelwelle für beispielsweise eine Brennkraftmaschine in 4-Zylinder-Reihenbauart bereit zu stellen, ist es wichtig möglichst wenige Kurbelwangen der Kurbelwelle mit Gegengewichten zu versehen. Für eine gute Laufruhe sind jedoch eine gewisse Zahl und Anordnung der Gegengewichte notwendig. Dies sind die Gegengewichte an den jeweiligen Kurbelwangen zwischen dem zweiten beziehungsweise dem dritten Hubzapfen und dem mittleren, dem dritten Grundlager. Weiterhin sind dies Gegengewichte an der ersten und an der letzten Kurbelwange, das sind die Wangen zwischen den endseitigen Grundlager (Wellenzapfen) und den jeweils benachbarten Hubzapfen. Ein Abtriebsrad an der letzen Kurbelwange ermöglicht an dieser Stelle kein Gegengewicht anzuordnen. Um die Zusatzmassen für ein Ausgleichsgewicht für das an der letzen Kurbelwange nicht vorhandene Gegengewicht möglichst klein zu machen, dient die erfindungsgemäße Anordnung von Materialfehlstellen.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Figurenbeschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigen:
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1 perspektivisch eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine,
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2 eine Seitenansicht der Kurbelwelle und
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3 die Kurbelwelle aus einer anderen Perspektive.
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Die 1 bis 3 zeigen einen Teil einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug. Die Brennkraftmaschine weist eine Kurbelwelle 10 mit einem zur Ausleitung eines Moments vorgesehenen Abtriebsrad 11 auf. Das Abtriebsrad 11 ist in Längsrichtung endseitig angeordnet. Es ist an einem Ende der Kurbelwelle 10 angeordnet. Das Abtriebsrad 11 bildet ein Ende der Kurbelwelle 10. Die Kurbelwelle 10 und das Abtriebsrad 11 sind einstückig miteinander ausgeführt. Sie sind gegossen und bilden damit ein Gussbauteil aus. Die Brennkraftmaschine ist als eine Vier-Zylinder-Hubkolbenmaschine ausgebildet.
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Die Kurbelwelle 10 weist sieben Kurbelwangen 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, vier Hubzapfen 15, 24, 25, 26, drei Wellenzapfen 27, 28, 29 und zwei Gegengewichte 30, 31 auf. Das die Kurbelwelle 10 und das Abtriebsrad 11 bildende Gussbauteil bildet somit auch die Kurbelwangen 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, die Hubzapfen 15, 24, 25, 26, die Wellenzapfen 27, 28, 29 und die zwei Gegengewichte 30, 31 aus.
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Die Wellenzapfen 27, 28, 29 definieren eine Rotationsachse 16 der Kurbelwelle 10. Sie sind zur Lagerung der Kurbelwelle 10 vorgesehen. Dazu weist die Brennkraftmaschine nicht näher dargestellte Hauptlager auf, in denen die Wellenzapfen 27, 28, 29 laufen. Der Wellenzapfen 27 ist entlang der Rotationsachse 16 zwischen den zwei Kurbelwangen 18, 19, der Wellenzapfen 28 zwischen den zwei Kurbelwangen 20, 21 und der Wellenzapfen 29 zwischen den zwei Kurbelwangen 22, 23 angeordnet. Die Wellenzapfen 27, 28, 29 verbinden jeweils die zwei entsprechenden Kurbelwangen 18, 19, 20, 21, 22, 23 miteinander.
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Die Hubzapfen 15, 24, 25, 26 sind jeweils zur Anbindung an einen Pleuel vorgesehen. Die Brennkraftmaschine weist vier nicht näher dargestellte Pleuel auf, wobei jeweils ein Pleuel an einen Hubzapfen 15, 24, 25, 26 angebunden ist. Die Hubzapfen 15, 24, 25, 26 nehmen jeweils ein Pleuel auf, wodurch die Kurbelwelle 10 beim Betrieb der Brennkraftmaschine in Rotation um die Rotationsachse 16 versetzt wird. Die Hubzapfen 15, 24, 25, 26 rotieren dabei auf einer Kreisbahn um die Rotationsachse 16. Der Hubzapfen 24 ist entlang der Rotationsachse 16 zwischen den zwei Kurbelwangen 17, 18, der Hubzapfen 25 zwischen den zwei Kurbelwangen 19, 20, der Hubzapfen 26 zwischen den zwei Kurbelwangen 21, 22 angeordnet. Die Hubzapfen 24, 25, 26 verbinden jeweils die zwei entsprechenden Kurbelwangen 17, 18, 19, 20, 21, 22 miteinander. Der Hubzapfen 15 ist entlang der Rotationsachse 16 zwischen der Kurbelwangen 23 und dem Abtriebsrad 11 angeordnet. Er verbindet die Kurbelwange 23 und das Abtriebsrad 11 miteinander.
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Die Kurbelwangen 18, 19, 20, 21, 22, 23 sind entlang der Rotationsachse 16 jeweils zwischen einem Wellenzapfen 27, 28, 29 und einem Hubzapfen 15, 24, 25, 26 angeordnet. Die Kurbelwangen 18, 19, 20, 21, 22, 23 verbinden jeweils einen Wellenzapfen 27, 28, 29 und einen Hubzapfen 15, 24, 25, 26 miteinander. Die Kurbelwange 17 ist in Längsrichtung endseitig angeordnet. Sie ist an einem Ende der Kurbelwelle 10 angeordnet. Die Kurbelwange 17 ist entlang der Rotationsachse 16 gegenüberliegend zu dem Abtriebsrad 11 angeordnet.
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Um eine Hauptträgheitsachse der Kurbelwelle 10 an die Rotationsachse 16 anzupassen, weist die Kurbelwelle 10 die zwei Gegengewichte 30, 31 auf. Die Gegengewichte 30, 31 sind jeweils an einer Kurbelwange 20, 21 angebracht. Das Gegengewicht 30 ist dabei an der Kurbelwange 20 und das Gegengewicht 31 an der Kurbelwange 21 angebracht.
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Zur Nutzung des Abtriebsrads 11 als ein drittes Gegengewicht weist das Abtriebsrad 11 drei zur Gewichtsreduktion vorgesehene Materialfehlstellen 12, 13, 14 auf. Die Materialfehlstellen 12, 13, 14 sind in das Abtriebsrad 11 eingebracht. Die Materialfehlstellen 12, 13, 14 bilden das Abtriebsrad 11 als ein Gegengewicht aus, das die Hauptträgheitsachse der Kurbelwelle 10 an die Rotationsachse 16 anpasst. Die Materialfehlstellen 12, 13, 14 reduzieren ein Gewicht des Abtriebsrads 11 bezüglich der Rotationsachse 16 asymmetrisch. Dazu sind die Materialfehlstellen 12, 13, 14 asymmetrisch angeordnet, wodurch das Abtriebsrad 11 um die Rotationsachse 16 eine ungleichmäßige Massenverteilung aufweist. Die in das Abtriebsrad 11 eingebrachten Materialfehlstellen 12, 13, 14 sind als Ersatz eines zusätzlichen Gegengewichts vorgesehen.
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Die drei Materialfehlstellen 12, 13, 14 sind unabhängig oder verschieden von einer Wuchtfehlstelle ausgebildet. Die Materialfehlstellen 12, 13, 14 werden vor einem Auswuchtvorgang, in dem eine Unwucht der Kurbelwelle 10 anhand einer Unwuchtmessung ausgeglichen wird, in das Abtriebsrad 11 eingebracht, um das Abtriebsrad 11 als Gegengewicht auszubilden. Die Materialfehlstellen 12, 13, 14 sind unabhängig von der Unwuchtmessung ausgeführt. Das Abtriebsrad 11 weist die Materialfehlstellen 12, 13, 14 bereits vor dem Auswuchtvorgang auf.
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Die zwei Materialfehlstellen 12, 13 sind in Form einer Bohrung ausgebildet. Die Materialfehlstellen 12, 13 durchsetzen das Abtriebsrad 11 entlang der Rotationsachse 16 und damit in Längsrichtung. Sie durchsetzen das Abtriebsrad 11 radial beabstandet zur Rotationsachse 16. Dabei verlaufen die in Form einer Bohrung ausgebildeten Materialfehlstellen 12, 13 schräg durch das Abtriebsrad 11 hindurch. Die Materialfehlstellen 12, 13 sind nachträglich, also nach einem Gießen der Kurbelwelle 10 in das Abtriebsrad 11 eingebracht. Sie sind durch Bohren in das Abtriebsrad 11 eingebracht. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass die in Form einer Bohrung ausgebildeten Materialfehlstellen 12, 13 radial in das Abtriebsrad 11 eingebracht sind. Weiter ist es grundsätzlich denkbar, dass die in Form einer Bohrung ausgebildeten Materialfehlstellen 12, 13 auch in oder durch den Gießvorgang in das Abtriebsrad 11 eingebracht werden, beispielsweise durch Einsatz von Kernen.
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Die zwei Materialfehlstellen 12, 13 sind bezüglich der Rotationsachse 16 radial gegenüberliegend zu dem Hubzapfen 15 in das Abtriebsrad 11 eingebracht. Der Hubzapfen 15 ist bezüglich der Rotationsachse 16 radial gegenüberliegend zu den in Form einer Bohrung ausgebildeten Materialfehlstellen 12, 13 an dem Abtriebsrad 11 angebunden.
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Die Materialfehlstelle 14 ist als eine radial verlaufende Materialverjüngung ausgebildet. Die Materialfehlstelle 14 ist dabei radial zwischen dem Hubzapfen 15 und den in Form einer Bohrung ausgebildeten Materialfehlstellen 12, 13 angeordnet. Sie verläuft senkrecht zur Rotationsachse 16. Die als Materialverjüngung ausgebildete Materialfehlstelle 14 ist beim Gießen der Kurbelwelle 10 in das Abtriebsrad 11 eingebracht. Die Materialfehlstelle 14 ist als eine Mulde, eine Vertiefung oder eine Einkerbung ausgebildet. Grundsätzlich kann die als Materialverjüngung ausgebildete Materialfehlstelle 14 auch nachträglich, also nach dem Gießen in das Abtriebsrad 11 eingebracht werden, beispielsweise durch eine spanende Bearbeitung des Abtriebsrads 11. Weiter ist es grundsätzlich denkbar, dass in das Abtriebsrad 11 lediglich die als eine Bohrung ausgebildeten Materialfehlstellen 12, 13 eingebracht sind, um das Abtriebsrad 11 als Gegengewicht auzubilden. Es kann somit auf die als Materialverjüngung ausgebildete Materialfehlstelle 14 verzichtet werden.
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Die Brennkraftmaschine weist weiter einen nicht näher dargestellten Lanchesterausgleich auf, der antriebstechnisch an das Abtriebsrad 11 angebunden ist. Der Lanchesterausgleich weist zwei zur Reduzierung von Drehschwingungen vorgesehene Ausgleichswellen auf, die antriebstechnisch an das Abtriebsrad 11 angebunden sind. Das Abtriebsrad 11 ist damit als ein Lanchesterantriebsrad ausgebildet. Zur antriebstechnischen Anbindung des Abtriebsrads 11 an die Ausgleichswellen des Lanchesterausgleichs weist die Kurbelwelle 10 ein nicht näher dargestelltes Zahnrad auf, das auf dem Abtriebsrad 11 drehfest angeordnet ist. Das Zahnrad ist auf dem Abtriebsrad 11 aufgeschrumpft. Das Abtriebsrad 11 bildet damit einen Zahnradsitz aus, auf dem das Zahnrad zum Antrieb der Antriebswellen des Lanchesterausgleichs fest angeordnet ist. Das drehfest auf dem Abtriebsrad 11 angeordnete Zahnrad kämmt mit zwei Zahnrädern des Lanchesterausgleichs, die drehfest mit jeweils einer Ausgleichswelle verbunden sind.
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In einem Verfahren zur Herstellung der Kurbelwelle 10, wird zuerst die Kurbelwelle 10 in einem Gießvorgang geformt. In dem Gießvorgang werden die Kurbelwangen 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, die Hubzapfen 15, 24, 25, 26, die Wellenzapfen 27, 28, 29, die Gegengewichte 30, 31 und das Abtriebsrad 11 geformt und damit ausgebildet. Um das Abtriebsrad 11 als Gegengewicht auszubilden, wird die als Materialverjüngung ausgebildete Materialfehlstelle 14 in dem oder durch den Gießvorgang in das Abtriebsrad 11 und die als eine Bohrung geformten Materialfehlstellen 12, 13 nach dem Gießvorgang, aber vor dem Auswuchtvorgang, in das Abtriebsrad 11 eingebracht. Die zur Gewichtsreduktion vorgesehenen Materialfehlstellen 12, 13, 14 werden jeweils vor dem Auswuchtvorgang in das Abtriebsrad 11 eingebracht, um das Abtriebsrad 11 als Gegengewicht auszubilden. Sie werden als Ersatz eines zusätzlichen Gegengewichts in das Abtriebsrad 11 eingebracht. Anschließend, also nachdem die Materialfehlstellen 12, 13, 14 in das Abtriebsrad 11 eingebracht sind, wird die Kurbelwelle 10 in dem Auswuchtvorgang ausgewuchtet. Dazu wird eine Unwuchtmessung durchgeführt, anhand der die Kurbelwelle 10 ausgewuchtet wird.
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Grundsätzlich kann die Kurbelwelle 10 im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel zweiteilig ausgebildet sein. Bei einer zweiteiligen Kurbelwelle 10 weist die Kurbelwelle 10 eine Grundwelle und ein separates Abtriebsrad 11 auf, das drehfest auf der Grundwelle angeordnet, beispielsweise aufgeschrumpft ist. Die Grundwelle weist dabei die Kurbelwangen 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, die Hubzapfen 15, 24, 25, 26, die Wellenzapfen 27, 28, 29 und die Gegengewichte 30, 31 auf. Bei einer zweiteiligen Kurbelwelle 10 ist das Abtriebsrad 11 als ein Abtriebszahnrad ausgebildet.
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Um eine möglichst leichte Kurbelwelle 10 für beispielsweise eine Brennkraftmaschine in 4-Zylinder-Reihenbauart bereit zu stellen, ist es wichtig möglichst wenige Kurbelwangen der Kurbelwelle 10 mit Gegengewichten zu versehen. Für eine gute Laufruhe sind jedoch eine gewisse Zahl und Anordnung der Gegengewichte notwendig. Dies sind die Gegengewichte 30, 31 an den jeweiligen Kurbelwangen 20, 21 zwischen dem zweiten 25 beziehungsweise dem dritten Hubzapfen 26 und dem mittleren, dem dritten Grundlager (Wellenzapfen 28). Weiterhin sind dies Gegengewichte an der ersten 17 und an der letzten Kurbelwange, das sind die Wangen zwischen den endseitigen Grundlager (Wellenzapfen) und den jeweils benachbarten Hubzapfen 15, 24. Ein Abtriebsrad 11 an der letzen Kurbelwange ermöglicht an dieser Stelle kein Gegengewicht anzuordnen. Um die Zusatzmassen für ein Ausgleichsgewicht für das an der letzen Kurbelwange nicht vorhandene Gegengewicht möglichst klein zu machen, dient die erfindungsgemäße Anordnung von Materialfehlstellen 12, 13, 14. Durch diese Materialfehlstellen 12, 13, 14 ist für einen vollständigen Massenausgleich an der Kurbelwange 22 kein Gegengewicht erforderlich.
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Das Ausführungsbeispiel ist für eine gegossene Kurbelwelle 10 beschrieben. Die beschriebene Anordnung der Massen, Gegengewichte und Fehlstellen gilt jedoch genauso für eine geschmiedete Kurbelwelle.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kurbelwelle
- 11
- Abtriebsrad
- 12
- Materialfehlstelle
- 13
- Materialfehlstelle
- 14
- Materialfehlstelle
- 15
- Hubzapfen
- 16
- Rotationsachse
- 17
- Kurbelwange
- 18
- Kurbelwange
- 19
- Kurbelwange
- 20
- Kurbelwange
- 21
- Kurbelwange
- 22
- Kurbelwange
- 23
- Kurbelwange
- 24
- Hubzapfen
- 25
- Hubzapfen
- 26
- Hubzapfen
- 27
- Wellenzapfen
- 28
- Wellenzapfen
- 29
- Wellenzapfen
- 30
- Gegengewicht
- 31
- Gegengewicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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