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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Auswuchten einer Kurbelwelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es der Art nach im Wesentlichen aus der
US 5 408 745 A bekannt ist.
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HINTERGRUND
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Verbrennungsmotoren umfassen mindestens eine Kurbelwelle. Eine Kurbelwelle wandelt lineare Bewegung eines Kolbens in Drehbewegung über eine Kurbelwellenachse um, um das Drehmoment zum Antrieb eines Fahrzeugs bereitzustellen, wie z. B. einschließlich, aber nicht beschränkt auf, einen Zug, ein Boot, ein Flugzeug oder ein Automobil oder zum Antrieb weiterer Vorrichtungen, die durch den Motor angetrieben werden.
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Die Kurbelwelle umfasst mindestens einen von der Kurbelwellenachse versetzten Kurbelzapfen, an den ein wechselseitiger Kolben über eine Pleuelstange befestigt ist. Kraft die vom Kolben über die Offset-Verbindung zur Kurbelwelle übertragen wird, erzeugt zwischen diesen ein Drehmoment in der Kurbelwelle, was die Kurbelwelle um die Kurbelwellenachse dreht. Die Kurbelwelle umfasst weiterhin mindestens einen konzentrisch angeordneten Hauptlagerzapfen um die Kurbelwellenachse. Die Kurbelwelle wird an einem Motorblock des Hauptlagerzapfens befestigt. Ein Lager ist über dem Hauptlagerzapfen zwischen der Kurbelwelle und dem Motorblock angeordnet.
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KURZDARSTELLUNG
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Kurbelwellen sind wichtiger Bestandteil eines Motors und Startpunkt für Motorausführungen. Die Kurbelwellenausführung beeinflusst die gesamte Verpackung des Motors und dadurch die Gesamtmasse des Motors. Dementsprechend reduziert die Minimierung der Größe und/oder Masse der Kurbelwelle die Größe und Masse des Motors, was einen Kompoundierungseffekt auf die Baugröße, Masse und Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs hat. Es ist auch wünschenswert, die Kurbelwelle durch Minimierung ihrer Masse und Rotationsträgheit zu konstruieren, um die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs zu maximieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Auswuchten einer Kurbelwelle anzugeben, um diesem Wunsch zu entsprechen.
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Dazu beschreibt die vorliegende Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zum Auswuchten einer Kurbelwelle, was die Minimierung der Masse und Rotationsträgheit der Kurbelwelle zur Folge hat. Die Kurbelwelle umfasst mehrere Gegengewichte. Jedes dieser Gegengewichte umfasst einen Gegengewichtskörper, der einen ersten seitlichen Abschnitt, einen zweiten seitlichen Abschnitt und einen zentralen Abschnitt zwischen dem ersten seitlichen Abschnitt und dem zweiten seitlichen Abschnitt aufweist.
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Die vorliegende Offenbarung beschreibt zudem Kurbelwellen, die, unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens, ausgewuchtet werden.
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Die obigen Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren ergeben sich leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Ausführungsarten der Lehren, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verwendet werden.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer Kurbelwelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 2 ist eine schematische Seitenansicht der Kurbelwelle, die in 1 dargestellt ist;
- 3 ist eine schematische Vorderansicht der Kurbelwelle, die in 1 dargestellt ist, bevor die seitlichen Abschnitte des Gegengewichts entfernt werden;
- 4 ist eine schematische Vorderansicht der Kurbelwelle, die in 1 dargestellt ist, nachdem das Material von den gegenüberliegenden Seiten des Gegengewichts entfernt wurde; und
- 5 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Auswuchten der Kurbelwelle.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Mit Bezug auf 1 und 2, wobei gleiche Nummern gleiche Teile in den verschiedenen Ansichten kennzeichnen, wird im Allgemeinen eine Kurbelwelle unter Nummer 20 dargestellt. Die Kurbelwelle 20 kann für einen Motor konfiguriert werden, wie z. B., aber nicht beschränkt auf, einen Ottomotor oder einen Dieselmotor, einen Kompressor oder eine andere ähnliche Vorrichtung. Die Kurbelwelle 20 umfasst eine Welle 22, die sich entlang einer Kurbelwellenachse 24 erstreckt. Die Welle 22 definiert mehrere Hauptlagerzapfen 26, mehrere Arme 27, mehrere Bolzenlagerzapfen 28 und mehrere Gegengewichte 30. Die Bolzenlagerzapfen 28 werden auch als Kurbelzapfen bezeichnet.
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Die Hauptlagerzapfen 26 sind konzentrisch um die Kurbelwellenachse 24 angeordnet. Daher sind alle Hauptlagerzapfen 26 längs miteinander an der Kurbelwellenachse 24 verbunden. Jeder Hauptlagerzapfen 26 ist an mindestens einen der Arme 27 gekoppelt. Die Kurbelwelle 20 kann für Motoren mit unterschiedlichen Kurbel-Konfigurationen konfiguriert werden, wie z. B. zwei Kurbelzapfen zwischen den Hauptlagerzapfen, gemeinsamen Bolzen-Motoren (V8) und einzelnen Zylinder-Motoren.
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Jeder der Bolzenlagerzapfen 28 ist seitlich von der Kurbelwellenachse 24 versetzt und an die Hauptlagerzapfen 26 durch einen der Arme 27 befestigt. Somit verbindet jeder Bolzenlagerzapfen 28 zwei Arme 27. Jeder der Arme 27 erstreckt sich von einem der Hauptlagerzapfen 26 zu einem der Bolzenlagerzapfen 28. Mindestens einige der Arme 27 sind an ein Gegengewicht 30 gekoppelt. Jedes der Gegengewichte 30 erstreckt sich radial von der Kurbelwellenachse 24 fort. Jeder der Hauptlagerzapfen 26 trägt ungefähr hier ein Lager (nicht dargestellt) und stellt eine Befestigungsstelle zum Befestigen der Kurbelwelle 20 an einen Motorblock (nicht dargestellt) bereit. Jeder der Bolzenlagerzapfen 28 trägt ungefähr hier ein Lager (nicht dargestellt) und stellt die Befestigungsstelle bereit, an der eine Pleuelstange (nicht dargestellt) einen Kolben (nicht dargestellt) an der Kurbelwelle 20 befestigt. Außerdem verbindet jeder Bolzenlagerzapfen 28 zwei Arme 27.
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Die Gegengewichte 30 tarieren die wechselseitige Masse der Kolben, Kolbenringe, Kolbenbolzen und Halteklammern, die kleinen Enden der Pleuelstange, die Drehmasse der großen Enden der Pleuelstange und Lager und die Drehmasse der Kurbelwelle selbst (der Bolzenlagerzapfen 28 und die Arme 27) aus. Die Hauptlagerzapfen 26 befinden sich auf der Kurbelwellenachse 24 und benötigen keine Gegengewichte. Die Gegengewichte 30 reduzieren die Kräfte, die auf die Hauptlagerzapfen einwirken und verbessern damit die Haltbarkeit der Lager. Die Gegengewichte 30 wuchten die Drehung der Kurbelwelle 20 um die Kurbelwellenachse 24 aus, um Schwingungen darin zu reduzieren.
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Mindestens eines der Gegengewichte 30 umfasst einen Gegengewichtskörper 32 ganz oder teilweise im Wesentlichen mit hartem Material, wie z. B. Stahl. Zusätzlich umfasst das Gegengewicht 30 mindestens einen Klumpen 34, der, zumindest teilweise, innerhalb der Gegengewichtskörper 32 zur Reduzierung der Belastungen der Kurbelwellenhauptlager 26 oder zum Auswuchten der inneren Kräfte und Momente der Kurbelwelle 20 angebracht ist. Obwohl die dargestellte Ausführungsform drei Klumpen 34 zeigt, ist vorgesehen, dass das Gegengewicht 30 mehr oder weniger Klumpen 34, abhängig von den Ausführungsspezifikationen der Kurbelwelle 20, umfassen kann. Dabei beziehen sich die „Ausführungsspezifikationen“ darauf, wie viel Gegengewichtskraft für dieses bestimmte Gegengewicht benötigt wird. Die Klumpen 34 sind ganz oder teilweise aus hartem Material, wie z. B. Wolfram, das eine höhere Dichte hat, als das Material des Gegengewichtskörpers 32, um die richtigen Gegengewichtsmengen für die Kurbelwelle 20 bereitzustellen.
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Mit Bezug auf die 1, 2 und 4, beeinflusst die Kurbelwellenausführung das gesamte Verpacken des Motors und dadurch die Gesamtmasse des Motors. Dementsprechend reduziert die Minimierung der Größe und/oder Masse der Kurbelwelle die Größe und Masse des Motors, was einen Kompoundierungseffekt auf die Baugröße, Masse und Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs hat. Dazu kann die gegenwärtig vorliegende Kurbelwelle 20 durch das Entfernen von Material von den gegenüberliegenden Seiten von mindestens einem der Gegengewichte 30 ausgewuchtet werden. Dadurch umfasst der Gegengewichtskörper 32 der ausgewuchteten Kurbelwelle 20 eine abgeflachte gekrümmte Wand 36, die sich von einer ersten Seitenwand 38 über eine zweite Seitenwand 40 des Gegengewichtskörpers 32 erstreckt. In der dargestellten Ausführungsform gemäß der 1, 3 und 4, hat die gesamte gekrümmte Wand 36 einen konstanten Krümmungsradius zur Minimierung der Rotationsträgheit der Kurbelwelle 20. Es sollte jedoch beachtet werden, dass für andere Motorausführungen die Gesamtmasse der Kurbelwelle 20 wichtiger ist, sodass ein Dualradius oder andere Verfahren zur Minimierung des Abstands vom Kolben zum Gegengewicht (effektiv einem größeren Radius von der Kurbelmittellinie) eingesetzt werden können, während sich die Kurbelwelle 20 und Kolben an der unteren Totpunktlage drehen und dadurch ein leichteres Gegengewicht benötigen. Die erste Seitenwand 38 und die zweite Seitenwand 40 des Gegengewichtskörpers 32 befinden sich an gegenüberliegenden Seiten des Gegengewichts 30 und können ebene Wände zur Minimierung der Masse und der Rotationsträgheit der Kurbelwelle 20 sein. Mit anderen Worten, die erste Seitenwand 38 und die zweite Seitenwand 40 können jeweils eine ebene Form aufweisen. Zum Beispiel können die erste Seitenwand 38 und die zweite Seitenwand 40 senkrecht zur Kurbelwellenachse 24, zur Minimierung der Rotationsträgheit der Kurbelwelle 20, angeordnet sein. Es ist auch vorgesehen, dass die erste Seitenwand 38 und/oder die zweite Seitenwand 40 ein nichtlineares Profil zur Minimierung der Turbulenz, Ventilation und des Luftabscheidevermögens aufweisen, wodurch die Kraftstoffeffizienz des Motors maximiert wird. Die erste Seitenwand 38 und die zweite Seitenwand 40 können durch das Entfernen von Material von den gegenüberliegenden Seiten des Gegengewichtskörpers 32 geformt werden. Beispielsweise kann der Gegengewichtskörper 32 zur Bildung der ersten Seitenwand 38 und der zweiten Seitenwand 40 gefräst werden. Außerdem kann ein Materialstück, wie Metall, an den Gegengewichtskörper 32 zur Erfüllung bestimmter Auswuchtungsanforderungen (z. B. Nullvorspannung im Gegengewicht 30) angebracht werden. Vorspannung ist zusätzliche Masse, die an die Gegengewichte angebracht wird, um sicherzustellen, dass sich dort stets Material zur Entfernung von den Gegengewichten zum Auswuchten der Kurbelwelle befindet. Die Vorspannungsmenge hängt von der Motorkonfiguration und der Größe der Kurbelwelle ab. Schweißen kann eingesetzt werden, um das Material an den Gegengewichtskörper 32 anzubringen.
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Mindestens eine Öffnung 42 kann sich in der gekrümmten Wand 36 zum Auswuchten der Kurbelwelle 20 befinden. In der dargestellten Ausführungsform befinden sich die Löcher 42 in der gekrümmten Wand 36 und in Richtung der Klumpen 34 und sind für einen zweiten Auswuchtungsdurchgang vorgesehen, um die endgültigen Auswuchtbedingungen zu erreichen. Jedoch werden die Klumpen 34, die der Kurbelwelle 20 ein Gegengewicht verschaffen, nicht durch die Löcher 42 beeinflusst, da sich keines der Löcher 42 in oder durch die Klumpen 34 erstreckt. Es ist unerwünscht in die Wolfram-Legierungsklumpen 34 zu bohren, da sie aufgrund ihrer Härte die Standzeit beeinflussen. Dementsprechend können durch das Entfernen von Material von den gegenüberliegenden Seiten des Gegengewichtskörpers 32, zur Bildung der ersten Seitenwand 38 und der zweiten Seitenwand 40, mehrere Klumpen 34 in den Gegengewichtskörper 32 eingebaut sein, wodurch die Kurbelwelle 20 masseneffizienter mit Gegengewicht mit dem Zusatz von Schwermetallklumpen 34 in gewünschter Richtung versehen ist, in diesem Fall gegenüber dem Kurbelzapfen für eine Vierzylinder-Kurbelwelle. Wie nachstehend aufgeführt, können die optionalen Löcher 42 durch Bohren in den Gegengewichtskörper 32 geformt werden. Alternativ kann der Fräsvorgang als zweiter Auswuchtungsvorgang des Durchgangs wiederholt werden.
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Der Gegengewichtskörper 32 umfasst auch eine erste Verbindungswand 44, die direkt mit Arm 27 verbunden ist und eine zweite Verbindungswand 46, die direkt mit Arm 27 verbunden ist. In der ausgewuchteten Kurbelwelle 20 ist die erste Verbindungswand 44 auch direkt an die erste Seitenwand 38 und die zweite Verbindungswand 46 direkt an die zweite Seitenwand 40 gekoppelt. Die erste Verbindungswand 44 und die zweite Verbindungswand 46 befinden sich näher dem Arm 27 als der gekrümmten Wand 36. Die Klumpen 34 befinden sich zur effektiven Gegengewichtsverlagerung der Kurbelwelle 20 näher zur gekrümmten Wand 36 als zur ersten Verbindungswand 44 und zur zweiten Verbindungswand 46. Sie befinden sich auch näher zur Mittellinie gegenüber dem Kurbelzapfen 28 für mehr Masseneffizienz. Wenn das Fräsen der Gegengewichte dem zweiten Auswuchtungsvorgang des Durchgangs dient, können sich die Klumpen 34 für größere Masseneffizienz näher an der gekrümmten Wand 36 befinden.
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Jeder Gegengewichtskörper 32 umfasst auch eine erste oder vordere Axialwand 48 und eine zweite oder hintere Axialwand 50 gegenüber der ersten Axialwand 48. Die erste Seitenwand 38, die zweite Seitenwand 40, die erste Verbindungswand 44, die zweite Verbindungswand 46 und die gekrümmte Wand 36 sind alle vollständig zwischen der ersten Axialwand 48 und der zweiten Axialwand 50 angeordnet.
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Jeder Gegengewichtskörper 32 umfasst einen ersten seitlichen Abschnitt 52, einen zweiten seitlichen Abschnitt 54 gegenüber von dem ersten seitlichen Abschnitt 52 und einen zentralen Abschnitt 56 zwischen dem ersten seitlichen Abschnitt 52 und dem zweiten seitlichen Abschnitt 54. Der erste seitliche Abschnitt 52 umfasst die erste Seitenwand 38, zumindest Teile der ersten Verbindungswand 44 und Teile der gekrümmten Wand 36. Der zweite seitliche Abschnitt 54 umfasst die zweite Seitenwand 40, zumindest Abschnitte der zweiten Verbindungswand 46 und Teile der gekrümmten Wand 36. Der zentrale Abschnitt 56 des Gegengewichtskörpers 32 umfasst mindestens einige Abschnitte der gekrümmten Wand 36. Alle Klumpen 34 sind innerhalb des zentralen Abschnitts 56 des Gegengewichtskörpers 32 in Nähe der senkrechten Achse 25 gegenüber dem Kurbelzapfen 28, zur Maximierung der Gegengewichtskraft und Minimierung der Kurbelwellenmasse, eingebettet. Es ist vorgesehen, dass die Kurbelwelle 20, je nach Anforderungen der Ausführung, keine Klumpen 34 umfasst.
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Mit Bezug auf die 3-5 beschreibt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren 100 zur Herstellung und Auswuchtung einer Kurbelwelle 20a in Übereinstimmung mit vorgegebenen Auswuchtungsanforderungen. Es ist sinnvoll die Kurbelwelle 20a zur Reduzierung von Verbrennungsmotor-Schwingungen auszuwuchten, die Teil jedes Motortyps sind, welches es der Masse der Kurbelwelle, Pleuelstangen, Kolben, Bolzen usw. ermöglicht, diese auszugleichen. Wie nachstehend aufgeführt, wird beim Verfahren 100 an mindestens einem Gegengewicht 30 zur Auswuchtung der Kurbelwelle 20a nach vorgegebenen Auswuchtbedingungen gearbeitet. Bei Schritt 101 kann die unausgewuchtete Kurbelwelle 20a ( 3) mittels Gießen, Schmieden, oder weiterer geeigneter Herstellungsverfahren, hergestellt werden. Sobald die unausgewuchtete Kurbelwelle 20a geformt ist, geht das Verfahren 100 weiter zu Schritt 102 über.
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Schritt 102 beinhaltet das Bestimmen der Materialmenge im Gegengewichtskörper 32, die zur Erzielung der vorgegebenen Auswuchtbedingungen entfernt werden muss. Dabei wird die unausgewuchtete Kurbelwelle 20a um die Kurbelwellenachse 24 gedreht. Während sich die Kurbelwelle 20a dreht, werden übliche bekannte Verfahren zur Bestimmung der Menge und des Standortes des Gegengewichtmaterials verwendet, das zur Auswuchtung der Kurbelwelle 20a entfernt werden muss. Auch in Schritt 102 wird das Material (z. B. Metall) vom ersten seitlichen Abschnitt 52 des Gegengewichtskörpers 32 entfernt. Dieses Material kann durch Fräsen des Gegengewichtskörpers 32 entlang der ersten Schnittlinie C1 entfernt werden, die vertikal (parallel zu einer Achse 25 zwischen dem Kurbelzapfen 28 und dem Hauptlager 26) oder geringfügig abgewinkelt sein kann, je nachdem, ob die Gesamtmasse oder Rotationsträgheit der Gegengewichte wichtiger ist. Zum Beispiel kann die erste Schnittlinie C1 und/oder die zweite Schnittlinie C2 in einem schrägen Winkel θ (z. B. ± 30 Winkelgrad) von Linie 25 ausgerichtet werden. Jedoch können andere spanende Verfahren zum Entfernen des Materials vom ersten seitlichen Abschnitt 52 des Gegengewichtskörpers 32 verwendet werden. Dann fährt das Verfahren 100 mit Schritt 104 fort.
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In Schritt 104 wird Material (z. B. Metall) vom zweiten seitlichen Abschnitt 54 des Gegengewichtskörpers 32 entfernt. Dieses Material kann durch Fräsen des Gegengewichtskörpers 32 entlang der zweiten Schnittlinie C2 entfernt werden. Jedoch können andere spanende Verfahren zum Entfernen des Materials vom zweiten seitlichen Abschnitt 54 des Gegengewichtskörpers 32 verwendet werden. Schritte 102 und 104 können in zeitlich unterschiedlicher Reihenfolge oder gleichzeitig durchgeführt werden. Unterschiedliche Materialmengen (z. B. Metall) können von jeder Seite (d. h. der ersten seitlichen Seite 52 und der zweiten seitlichen Seite 54) zum Anvisieren und Verschieben des Gleichgewichts der Kurbelwelle entfernt werden. Dies würde bei jeder Anzahl der Gegengewichte 30 nach Bedarf zur Erfüllung der vorgegebenen Auswuchtbedingungen ausgeführt. Üblicherweise weisen Vorderseite und Hinterseite der Kurbelwelle eine Vorspannung auf, die von der Motorart und Größe der Kurbelwelle abhängt.
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Indem erst Material vom ersten seitlichen Abschnitt 52 und vom zweiten seitlichen Abschnitt 54 des Gegengewichtskörpers 32 entfernt wird (anstelle dass erst Löcher in der gekrümmten Wand 36 geformt werden), wird im Vergleich zum Verfahren, bei dem erst Löcher in die gekrümmte Wand 36 gebohrt werden, mehr Masse entfernt und die Rotationsträgheit weiter minimiert, während der gleiche Betrag an Kurbelwellenungleichgewicht ausgeglichen wird,. Mit anderen Worten, durch das sofortige Entfernen von Material vom ersten seitlichen Abschnitt 52 und vom zweiten seitlichen Abschnitt 54 des Gegengewichtskörpers 32 kann mehr Masse zur Beseitigung der Kurbelwellenvorspannung entfernt werden, als durch die Verwendung herkömmlicher radialer Bohrmaschinen; daher führt das aktuell beschriebene Auswuchtungsverfahren 100 zu leichterer, geringerer Kurbelwellenträgheit 20 gegenüber einer Kurbelwelle, die mit den üblichen radialen Bohrverfahren ausgewuchtet ist. Nach Schritt 102 und 104 fährt das Verfahren 100 mit Schritt 106 fort.
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In Schritt 106 wird die Kurbelwelle 20 um die Kurbelwellenachse 24 gedreht. Und während sich die Kurbelwelle 20 dreht, werden übliche bekannte Verfahren verwendet, um zu bestimmen, ob zusätzliches Gegengewichtsmaterial zur Erzielung der vorgegebenen Auswuchtbedingungen der Kurbelwelle entfernt werden muss. Wenn ja, können die Löcher 42 zwischen der gekrümmten Wand 36 und den Klumpen 34 geformt werden, um zusätzliches Material von dem Gegengewichtskörper 32 zu entfernen. In den Gegengewichtskörper 32 kann gebohrt werden, um die Löcher 42 zu formen. Jedoch können weitere spanende Verfahren zur Formung der Löcher 42 verwendet werden. Die Löcher 42 erstrecken sich in die gekrümmte Wand 36 in Richtung der Klumpen 34. Jedoch erstrecken sich die Löcher nicht in oder durch die Klumpen 34. Als solche bleiben die Klumpen 34 von den Löchern 42 unbeeinflusst und können weiterhin helfen, der Kurbelwelle 20 Gegengewicht zu verschaffen. Die Löcher 42 werden im zentralen Abschnitt 56 des Gegengewichtskörpers 32 zur Eliminierung der Kurbelwellenvorspannung geformt. Schritt 106 ist optional. Alternativ können die Schritte 102 und 104 so oft wie nötig wiederholt werden, um den Auswuchtbedingungen zu entsprechen. Nach der Bildung der optionalen Löcher 42 fährt das Verfahren 100 mit Schritt 108 fort.
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In Schritt 108 wird Material, wie Metall, an die erste seitliche Seite 52 und/oder die zweite seitliche Seite 54 des Gegengewichtskörpers 32 angebracht. Dieses Verfahren wird verwendet, wenn eine niedrige oder Nullvorspannung der Kurbelwelle gewünscht wird, welche die niedrigste Masse und Kurbelwellenträgheit gewährleistet. Dementsprechend ist Schritt 108 optional. Das Material (d. h. Metall) kann an den Gegengewichtskörper 32 mittels Schweißen, Befestigung, oder weiteren geeigneten Verbindungsverfahren angebracht werden. Beispielsweise kann ein Metallstück an die erste seitliche Seite 52 und/oder die zweite seitliche Seite 54 des Gegengewichtskörpers 32 nach den Schritten 102, 104 und/oder 106 geschweißt werden. Alternativ kann ein Befestigungselement, wie eine Schraube, verwendet werden, um ein Metallstück an die erste seitliche Seite 52 und/oder die zweite seitliche Seite 54 des Gegengewichtskörpers 32 nach den Schritten 102, 104 und/oder 106 zu befestigen.
