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Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle für einen Verbrennungsmotor sowie eine Kurbelwellenbaugruppe mit einem Schwungrad und einer Kurbelwelle.
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An Kurbelwellen moderner Fahrzeugantriebe werden hohe Anforderungen im Hinblick auf Geräuschemission bei gleichzeitiger Leistungssteigerung und ebenfalls geforderter Abgas- und Verbrauchsreduktion gestellt.
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Unerwünschte Geräuschemission und Verschleiß wird durch Schwingungen, wie Torsionsschwingungen, der Kurbelwelle hervorgerufen, die durch die Verbrennungsstöße der einzelnen Zylinder des Verbrennungsmotors angeregt werden. Die Anregung erfolgt mit der halben Drehfrequenz des Motors und höheren Ordnungen davon, dabei ist die Ausprägung der höheren Ordnungen von der Bauweise des Motors abhängig.
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Zur Reduzierung der Geräuschemission sind Kurbelwellen mit schwingungstilgenden bzw. -dämpfenden Maßnahmen versehen. Insbesondere zur Reduktion von Torsionsschwingungen der Kurbelwelle ist es bekannt, einen Torsionsschwingungstilger am freien Ende der Kurbelwelle vorzusehen. Dabei bildet die Trägheit des Torsionsschwingungstilgers mit einer eigenen Tilgerfeder ein Torsionspendel, dessen Eigenfrequenz auf die zu eliminierende Frequenz abgestimmt wird. Die zu eliminierende Frequenz ist meist die erste, d. h. niedrigste Torsionseigenfrequenz der Kurbelwelle.
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Die Unterdrückung der Torsionsschwingungen mittels eines Torsionsschwingungstilgers ist jedoch problembehaftet, da unter- und oberhalb der Tilgereigenfrequenz neue Eigenfrequenzen des Systems aus Torsionsschwingungstilger und Kurbelwelle entstehen. Zudem entzieht der Torsionsschwingungsdämpfer der Kurbelwelle Schwingungsenergie, was zu einem Leistungsabfall führt.
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Weiterhin sind die Schwingungstilger bzw. -dämpfer Zukaufteile von Lieferanten, sodass während der Entwicklung des Antriebs häufige Abstimmungsgespräche mit dem Lieferanten notwendig sind, die Zeit und somit Geld binden.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine Kurbelwelle sowie eine Kurbelwellenbaugruppe bereitzustellen, die ohne die Verwendung eines Torsionsschwingungstilgers eine geringe Geräuschemission während des Betriebs aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kurbelwelle für einen Verbrennungsmotor mit einer ersten axialen Hälfte, einer zweiten axialen Hälfte und mit Kurbelwangen, die verschiedene Torsionssteifigkeiten gegenüber Torsion um die Längsachse der Kurbelwelle aufweisen. Dabei weist die Kurbelwange mit der größten Torsionssteifigkeit der ersten Hälfte eine größere Torsionssteifigkeit als die Kurbelwange mit der größten Torsionssteifigkeit der zweiten Hälfte auf. Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, dass die Torsionsschwingungen der Kurbelwelle nicht vollständig unterdrückt werden muss, sondern lediglich im üblichen Drehzahlbereich von Verbrennungsmotoren – in der Regel zwischen 1000 und 6500 Umdrehungen pro Minute – nicht nennenswert angeregt werden darf. Durch die Erfindung wird nun aufgrund der Anpassung der Torsionssteifigkeit der Kurbelwangen am ersten Ende die erste Torsionseigenfrequenz der Kurbelwelle derart erhöht, dass nennenswerte Anregungen der ersten Torsionsschwingung nicht durch Verbrennungsmotoren, die im üblichen Drehzahlbereich betrieben werden, hervorgerufen werden.
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Somit kann auf den Einsatz eines Torsionsschwingungsdämpfers an der Kurbelwelle verzichten werden, ohne dass dies eine unerwünschte Geräuschemission zur Folge hätte. Auf diese Weise lassen sich Kosten, Gewicht und Bauraum für die Kurbelwelle und die Kurbelwellenbaugruppe einsparen.
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Sofern im Folgenden von Torsionssteifigkeit die Rede ist, ist damit die Torsionssteifigkeit gegenüber Torsion um die Längsachse der Kurbelwelle gemeint.
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Beispielsweise weist eine erste Kurbelwange, die einem axialen, ersten Ende der Kurbelwelle am nächsten liegt, die größte Torsionssteifigkeit der Kurbelwangen der ersten Hälfte auf. Dabei ist das erste Ende in der ersten Hälfte vorgesehen und das gegenüber der zweiten Hälfte entfernte, axiale Ende. Dadurch ist die Kurbelwelle um den Schwingungsknoten der Torsionsschwingung herum möglichst torsionssteif ausgeführt.
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Vorzugsweise nimmt die Torsionssteifigkeit der Kurbelwange ausgehend von der ersten Kurbelwange mit zunehmendem Abstand von der ersten Kurbelwange ab, sodass die Kurbelwangen ein geringes Trägheitsmoment aufweisen, die entfernt vom Schwingungsknoten vorgesehen sind und deren Geometrien einen geringeren Einfluss auf die Torsionseigenfrequenz der Kurbelwelle haben.
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In einer Ausführungsvariante der Erfindung weist die Kurbelwange, die einem axialen, zweiten, dem ersten Ende entgegengesetzten Ende der Kurbelwelle am nächsten liegt, die geringste Torsionssteifigkeit der Kurbelwangen der ersten Hälfte und der zweiten Hälfte auf. Dabei ist das zweite Ende in der zweiten Hälfte vorgesehen. Auf diese Weise kann das Trägheitsmoment der gesamten Kurbelwelle verringert werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung sind an den Kurbelwangen jeweils ein Kurbelzapfen und ein Lagerzapfen angeordnet, wobei die Kurbelwangen zumindest der ersten Hälfte einen in einer Ansicht entlang der Längsachse der Kurbelwelle ovalen Versteifungsabschnitt aufweisen und der Versteifungsabschnitt eine Höhe in Richtung einer gedachten Linie zwischen den Mittelachsen des Kurbelzapfens und des Lagerzapfens sowie eine Breite hat, die als die maximale Ausdehnung des Versteifungsabschnittes senkrecht zur Höhe definiert ist. Durch diese geometrische Form lässt sich die Torsionssteifigkeit der einzelnen Kurbelwangen individuell anpassen.
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Beispielsweise nimmt die Breite des Versteifungsabschnittes mit zunehmendem Abstand vom ersten Ende der Kurbelwelle ab, wodurch auf einfache Weise gewährleistet ist, dass die Steifigkeit der Versteifungsabschnitte und somit der Kurbelwangen mit zunehmendem Abstand vom ersten Ende abnimmt.
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Vorzugsweise ist die Breite des Versteifungsabschnittes der ersten Kurbelwange in etwa gleich der Höhe der ersten Kurbelwange, sodass der Versteifungsabschnitt der ersten Kurbelwange annähernd kreisförmig ist. Auf diese Weise wird eine besonders hohe Steifigkeit der ersten Kurbelwange erreicht.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Kurbelwangen der zweiten Hälfte ein geringeres Trägheitsmoment als die Kurbelwangen der ersten Hälfte auf, sodass das Trägheitsmoment der Kurbelwelle als Ganzes nicht unnötig vergrößert wird, um Verschleiß von Lagern vorzubeugen.
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In einer weiteren Ausführungsvariante weist die Kurbelwelle Lagerzapfen auf, wobei der maximale Durchmesser der Lagerzapfen in der ersten Hälfte größer als der maximale Durchmesser der Lagerzapfen in der zweiten Hälfte ist. Dadurch kann die Torsionseigenfrequenz der Kurbelwelle weiter erhöht werden.
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Vorzugsweise ist die niedrigste Eigenfrequenz der Torsionsschwingung der Kurbelwelle größer oder gleich 800 Hz, insbesondere größer oder gleich 835 Hz, sodass eine nennenswerte Anregung der Torsionsschwingung der Kurbelwelle im üblichen Drehzahlbereich eines Verbrennungsmotors vermieden wird.
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Die Erfindung wird ferner durch eine Kurbelwellenbaugruppe mit einem Schwungrad und einer Kurbelwelle gelöst, wobei das Schwungrad am Ende der ersten Hälfte der Kurbelwelle, insbesondere drehfest, angeordnet ist. Der Schwingungsknoten der Torsionsschwingung der Kurbelwellenbaugruppe liegt dabei in der Regel im Lagerzapfen zwischen der ersten Kurbelwange und dem Schwungrad, sodass eine hohe Torsionssteifigkeit der ersten Kurbelwange die Torsionseigenfrequenz der Kurbelwellenbaugruppe in besonderem Maße erhöht.
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Vorzugsweise ist die niedrigste Eigenfrequenz der Torsionsschwingung der Kurbelwellenbaugruppe größer oder gleich 500 Hz, insbesondere größer oder gleich 525 Hz, sodass eine nennenswerte Anregung der Torsionsschwingung im üblichen Drehzahlbereich eines Verbrennungsmotors vermieden wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Kurbelwellenbaugruppe in perspektivischer Ansicht mit einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle,
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2 die Kurbelwellenbaugruppe nach 1 in einer schematischen Seitenansicht,
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3a bis 3c Seitenansichten verschiedener Kurbelwangen der Kurbelwelle nach 1, und
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4 ein Diagramm der Anregung der Torsionsschwingung der erfindungsgemäßen Kurbelwelle.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Kurbelwellenbaugruppe 10 für einen Verbrennungsmotor dargestellt, die eine Kurbelwelle 12 und ein Schwungrad 14 aufweist. Die dargestellte Ausführungsform bezieht sich beispielhaft auf einen Sechszylinder-Verbrennungsmotor.
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Die Kurbelwellenbaugruppe 10 ist ebenfalls in 2, jedoch stark schematisch vereinfacht in einer Seitenansicht wiedergegeben.
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Die Kurbelwelle 12 weist sechs Kurbelzapfen 16 auf, an denen Pleuelstangen (nicht gezeigt) der Zylinder des Verbrennungsmotors angebracht werden können. Die Kurbelzapfen 16 sind beidseitig an ihren axialen Enden mittels Kurbelwangen 18 mit Lagerzapfen 20 verbunden.
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Die Lagerzapfen 20 sind auf einer Achse, der Längsachse L der Kurbelwelle 12, angeordnet.
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Die Kurbelzapfen 16 hingegen sind versetzt zu der Längsachse L der Kurbelwelle 12 vorgesehen und können um die Längsachse L rotieren.
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Die Lagerzapfen 20 dienen zur Lagerung der Kurbelwelle 12 an einem Motorgehäuse (nicht gezeigt).
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Die Kurbelwelle 12 kann entlang ihrer Längsachse L in eine erste axiale Hälfte H1 und eine zweite axiale Hälfte H2 geteilt werden.
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Dabei wird das freie Ende der Kurbelwelle 12, welches in der ersten Hälfte H1 liegt, als erstes Ende E1 und das freie Ende der Kurbelwelle 12, welches in der zweiten Hälfte H2 liegt, als zweites Ende E2 bezeichnet. Am ersten Ende E1 der Kurbelwelle 12 ist das Schwungrad 14, insbesondere drehfest, mit der Kurbelwelle 12 verbunden.
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Die Kurbelwangen 18 weisen einen Versteifungsabschnitt 22 und gegebenenfalls ein Gegengewicht 24 auf.
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Die Versteifungsabschnitte 22 sind im Wesentlichen flach ausgeführt, wobei der zu jeweils einer Kurbelwange 18 zugehörige Lagerzapfen 20 sowie der Kurbelzapfen 16 am Versteifungsabschnitt 22 angeordnet sind.
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Der Lagerzapfen 20 und der Kurbelzapfen 16 sind jedoch auf unterschiedlichen Seiten des Versteifungsabschnitts 22 vorgesehen.
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Das Gegengewicht 24 kann auf der dem Kurbelzapfen 16 abgewandten Seite des Lagerzapfens 20 am Versteifungsabschnitt 22 vorgesehen sein.
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Zum Beispiel kann das Gegengewicht 24 einstückig mit dem Versteifungsabschnitt 22 ausgebildet sein.
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Die Kurbelwangen 18 der Kurbelwelle 12 sind nicht alle identisch ausgeführt, sondern weisen verschiedene Geometrien auf.
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In den 3a bis 3c sind verschiedene Kurbelwangen 18 in Seitenansicht, d. h. entlang der Längsachse L der Kurbelwelle 12 betrachtet, dargestellt.
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Insbesondere unterscheidet sich die Geometrie der Versteifungsabschnitte 22 der Kurbelwangen 18, wobei zumindest die Kurbelwangen 18, die in der ersten Hälfte H1 der Kurbelwelle 12 vorgesehen sind, eine ovale Geometrie des Versteifungsabschnittes 22 aufweisen, wie in den 3a und 3b zu erkennen ist.
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Die ovalen Versteifungsabschnitte 22 weisen eine Höhe h auf, die in Richtung einer gedachten Linie zwischen den Mittelachsen M1 und M2 der zur jeweiligen Kurbelwange 18 zugeordneten Lager- bzw. Kurbelzapfen 20 bzw. 16 orientiert ist.
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Die Breite b der Versteifungsabschnitte 22 ist als die maximale Ausdehnung der Versteifungsabschnitte 22 senkrecht zur Höhe h definiert.
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Die Breite b kann für verschiedene Kurbelwangen 18 unterschiedlich gewählt sein, um die Torsionssteifigkeit der Kurbelwange 18 einzustellen. Dabei gilt im Wesentlichen, dass je größer die Breite b, desto größer die Torsionssteifigkeit der entsprechenden Kurbelwange 18.
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Die Breite b und somit die Torsionssteifigkeit der Kurbelwangen 18 in der ersten Hälfte H1 der Kurbelwelle 12 sind derart gewählt, dass die Torsionssteifigkeit der Kurbelwange 18 mit der größten Torsionssteifigkeit größer ist als die Torsionssteifigkeit bzw. Breite b der Kurbelwange 18 mit der größten Torsionssteifigkeit in der zweiten Hälfte H2.
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Die Kurbelwange 18 die dem ersten Ende E1 am nächsten liegt bildet die erste Kurbelwange 26. Diese kann die größten Torsionssteifigkeit bzw. Breite b1 der Kurbelwangen 18 der ersten Hälfte H1 aufweisen. Die erste Kurbelwange 26 ist in 3a dargestellt.
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Zum Beispiel ist die Höhe h des Versteifungsabschnitts 22 der ersten Kurbelwange 26 gleich der Breite b1 des Versteifungsabschnitts 22 der ersten Kurbelwange 26, sodass der des Versteifungsabschnitts 22 der ersten Kurbelwange 26 annähernd kreisförmig ausgeführt ist.
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In 3b ist die fünfte Kurbelwange 28 abgebildet. Zu erkennen ist, dass die Breite b5 der fünften Kurbelwange 28 geringer ist als die Breite b1 der ersten Kurbelwange 26, wodurch die fünfte Kurbelwange 28 eine geringere Torsionssteifigkeit aufweist.
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Die in 3c gezeigte Kurbelwange 18 ist die Kurbelwange 18, welche am nächsten am zweiten Ende E2 der Kurbelwelle 12 liegt, in diesem Fall also die zwölfte Kurbelwange 30. Die zwölfte Kurbelwange 30 weist die geringste Breite b12 und somit die geringste Torsionssteifigkeit der Kurbelwangen 18 der ersten und der zweiten Hälfte H1, H2 auf.
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Gleichzeitig steht die zwölfte Kurbelwange 30 beispielhaft für die Kurbelwangen 18 der zweiten Hälfte H2, die ein geringeres Trägheitsmoment als die Kurbelwangen 18 der ersten Hälfte H1 aufweisen.
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Die Gegengewichte 24 der Kurbelwangen 18 sind derart gewählt dass sie möglichst gering sind ohne dabei jedoch die Lagerkräfte in den Hauptlagern, mithilfe derer die Kurbelwelle 12 gelagert ist, derart zu vergrößern, dass die Lagerstuhllebensdauer verringert wird. Entsprechend ist die Auswahl der Gegengewichte 24 ein Kompromiss zwischen möglichst hoher Torsionsfrequenz der entsprechenden Kurbelwange 18 einerseits und steigenden Lagerkräften andererseits.
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Beispielsweise ist an der zwölften Kurbelwange 30 kein Gegengewicht 24 vorgesehen.
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Ebenfalls kann der Durchmesser d1 der Lagerzapfen 20 in der ersten Hälfte H1 größer als der Durchmesser d2 der Lagerzapfen 20 in der zweiten Hälfte sein. Beispielsweise ist der maximale Durchmesser d1 der Lagerzapfen 20 in der ersten Hälfte H1 größer als der maximale Durchmesser d2 der Lagerzapfen in der zweiten Hälfte H2.
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Zum Beispiel nimmt die Torsionssteifigkeit der Kurbelwangen 18 ausgehend von der ersten Kurbelwange 26 mit zunehmendem Abstand von der ersten Kurbelwange 26 ab.
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Dabei ist es durchaus denkbar, dass eine Kurbelwange 18 im Vergleich zu der in Richtung zum ersten Ende E1 benachbarten Kurbelwange 18 eine geringfügig größere Torsionssteifigkeit aufweist, solange über mehrere Kurbelwangen 18 hinweg die Torsionssteifigkeit ausgehend vom ersten Ende E1 abnimmt.
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Durch diese Gestaltung der Kurbelwangen 18 ist die erste Torsionseigenfrequenz der Kurbelwelle 12 gleich oder liegt oberhalb von 800 Hz, insbesondere gleich oder oberhalb von 835 Hz.
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Die erste Torsionseigenfrequenz der Kurbelwellenbaugruppe 10 ist gleich oder liegt oberhalb von 500 Hz, insbesondere gleich oder oberhalb von 525 Hz. Dabei bezeichnet die erste Torsionseigenfrequenz die niedrigste Torsionseigenfrequenz.
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Der mit der Erfindung gewünschte Effekt, den eine hohe erste Torsionseigenfrequenz erzielt, ist anhand von 4 veranschaulicht.
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In dem Diagramm in 4 ist die maximale Amplitude der Torsionsschwingung in Grad über der Motordrehzahl aufgetragen (durchgezogene Linie). Bei 5250 Umdrehungen pro Minute ist die Torsionseigenfrequenz mit der sechsten Motorordnung (gestrichelte Linie) resonant und die erste bzw. niedrigste Torsionsschwingung der Kurbelwellenbaugruppe 10 bei 525 Hz wird anregt.
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Die maximale Amplitude der Torsionsschwingung liegt jedoch deutlich unterhalb 1°, insbesondere unter 0,8°, sodass keine nennenswerte Geräuschemission aufgrund dieser schwach ausgeprägten Torsionsschwingung zu erwarten ist.
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Dies ist jedoch im gesamten relevanten Drehzahlbereich die einzige Resonanz, sodass keine weiteren Torsionsschwingungen mit nennenswerter Amplitude auftreten. Folglich ist ein Betrieb der Kurbelwellenbaugruppe 10 ohne weiteren Schwingungsdämpfer, insbesondere ohne Torsionsschwingungstilger möglich.
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In der beschriebenen Ausführungsform wird die Torsionssteifigkeit hauptsächlich durch die Breite b der Versteifungsabschnitte 22 der Kurbelwangen 18 variiert. Dem Fachmann sind jedoch auch weitere Möglichkeiten, insbesondere Geometrieanpassungen, der Kurbelwangen 18 geläufig, mit denen die Torsionssteifigkeit der Kurbelwangen 18 verändert werden kann. Die Veränderung der Torsionssteifigkeit mittels der Breite b ist somit lediglich beispielhaft zu sehen.
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Ebenso wurde in der gezeigten Ausführungsform eine Kurbelwelle 12 bzw. Kurbelwellenbaugruppe 10 für einen Sechszylinder-Reihenmotor dargestellt. Anpassungen an andere Motortypen sind für einen Fachmann selbstverständlich und entsprechend nicht weiter dargestellt.
