DE102018125617A1

DE102018125617A1 - Kurbelwelle

Info

Publication number: DE102018125617A1
Application number: DE102018125617.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Reichl; Stefan Kammerstaetter
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-10-16
Filing date: 2018-10-16
Publication date: 2020-04-16
Also published as: US20210404512A1; CN112639306A; WO2020078616A1

Abstract

Kurbelwelle für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Hauptlagern und einem Hubzapfen, wobei zwischen den Hauptlagern und dem Hubzapfen jeweils eine Hubwange angeordnet ist, die die Hauptlager mit dem Hubzapfen verbinden, wobei die Kurbelwelle zumindest einen, zu einem Hauptlager axial beabstandeten ersten Zahnkranz für einen Antrieb eines Kettentriebes aufweist, wobei eine Kurbelwellenoberfläche zwischen dem Hauptlager und dem ersten Zahnkranz eine gemittelte Rautiefe Rvon kleiner 3 µm aufweist.Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kurbelwelle für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine können höhere Torsionsmomente übertragen oder die Kurbelwelle in dem Bereich mit der höheren Oberflächengüte leichter ausgelegt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die Europäische Patentanmeldung EP 0 399 246 A1 hingewiesen. Aus dieser Offenlegungsschrift ist ein Verfahren zur Erhöhung der Dauerfestigkeit von Kurbelwellen für Kolbenmaschinen bekannt, insbesondere Brennkraftmaschinen, bei der die Übergangsradien von einem Kurbelzapfen zu angrenzenden Kurbelwangen einer besonderen Behandlung unterzogen werden. Diese Behandlung besteht in einer Härtung im Bereich der Übergangsradien in einer Härtetiefe von 2 - 3 mm, einhergehend mit einer Bearbeitung der Oberfläche ausgehend von einer Verschneidungskante zwischen einer Lagerstelle und einem Übergangsradius bis zum Ende des Anlaufbundes auf eine Rautiefe R_z größer 6,3 µm.
Weiter ist auch aus der Deutschen Patentschrift DE 29 30 968 C2 eine Kurbelwelle für eine Brennkraftmaschine bekannt. Die Kurbelwelle ist insbesondere für luftverdichtende Einspritzkraftmaschinen mit Aufladung vorgesehen, wobei die Kurbelwelle Hauptlagerzapfen und Pleuellagerzapfen aufweist. Die Hauptlagerzapfen sind geringer belastet als die Pleuellagerzapfen, wobei die Hauptlagerzapfen vor Inbetriebnahme der Kurbelwelle eine größere Rautiefe besitzen als die Pleuellagerzapfen.
Weiter ist aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 103 27 840 A1 eine Lagervorrichtung für Verbrennungsmotoren bekannt. Die Lagervorrichtung umfasst eine Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, wobei die Kurbelwelle von Lagern gehalten und die Kurbelwelle aus Stahl hergestellt ist, welcher keinem Oberflächenhärten unterzogen worden ist und welcher eine Struktur besitzt, welche hauptsächlich aus Perlit und einem Anteil an voreutektoidem Ferrit von höchstens 3% zusammengesetzt ist. Weiter ist der Stahl bearbeitet, um eine Rautiefe R_z von höchstens 0,8 µm aufzuweisen, wobei die Lager eine mit einer Grundplatte verbundene Aluminiumlagerlegierung besitzen und als einen Legierungsbestandteil davon Siliziumpartikel zu weniger als 4 Gewichtsprozent aufweisen. Ein früher Abrieb und ein Zerkratzen der Kurbelwelle werden hierdurch derart unterdrückt, dass es im Vergleich mit einem Abrieb und einem Zerkratzen bei herkömmlichen DCI-Wellen gleichwertig oder vorteilhaft ist.
Weiter ist in 1 beispielhaft eine Kurbelwelle abgebildet, die für den BMW Reihensechszylinder-Dieselmotor mit der internen Bezeichnung B57 im Einsatz ist. Das maximal übertragbare Torsionsmoment (inkl. etwaiger Torsionswechselmomente) stellt für die Kurbelwelle in der Brennkraftmaschine ein entscheidendes Auslegungskriterium dar. Bisherige Untersuchungen zeigen dabei in dem Bereich zwischen dem zylindrischen Teil der Kurbelwelle und dem Übergang zu den mit der Kurbelwelle mitbearbeiteten Kettenrädern als kritisch. Im aktuellen Stand der Technik wird dieser Bereich mittels einer Drehbearbeitung in Form eines Übergangsradius ausgeführt.
Die Drehbearbeitung in diesem Bereich erzeugt eine Oberflächengüte im Bereich von ca. R_z = 7µm. Ergebnisse am Torsionspulsprüfstand zeigen eine Beschränkung der maximal möglichen Torsionswechselfestigkeit aufgrund möglicher Anrisse im kritischen Bereich der Übergangsradien, unter anderem durch vergleichsweise hohe Oberflächenrauigkeit.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das maximal übertragbare Torsionsmoment für eine gattungsgemäße Kurbelwelle zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Durch die Anwendung unterschiedlicher Fertigungsverfahren ist es möglich, die Oberflächengüte in den kritischen Bereichen auf ein Mittel der Rautiefen R_z von kleiner 3 µm zu erhöhen. Als mögliche Verfahren kann dabei unteranderem Schleifen, Finishen oder auch Polieren (in Form einer reinen Oberflächenglättung) in Betracht gezogen werden. Alle Verfahren verbindet eine deutliche Glättung der Oberfläche im kritischen Bereich.
Untersuchungen an einem Torsionspulsprüfstand haben gezeigt, dass durch die Erhöhung der Oberflächengüte in kritischen Bereichen, insbesondere im Bereich der Übergangsradien zum Kettenrad, von ca. R_z =7µm auf R_z kleiner 3µm, eine nachweisliche Erhöhung der Torsionswechselfestigkeit der gesamten Kurbelwelle im Bereich von 10 bis 30 % erreicht werden kann. Durch Rollieren in Form von Festwalzen (Erhöhen der Druckeigenspannung) ist nochmals eine deutlich höhere Festigkeitssteigerung zu erwarten. Somit besteht zum einen die Möglichkeit höhere Torsionsmomente mit der Kurbelwelle zu übertragen. Zum anderen kann im Sinne eines Leichtbauansatzes bei gleichem zu übertragenden Drehmoment die Kurbelwelle leichter und somit mit weniger Einsatzmaterial konstruiert werden.
Mit der Ausgestaltung gemäß den Patenansprüchen 2 und 3 kann die Torsionswechselfestigkeit nochmals verbessert werden.
Die Fertigungsverfahren gemäß Patentanspruch 4 sind besonders bevorzugte Fertigungsverfahren.
Die Materialien gemäß Patentansprüchen 5 und 6 sind besonders bevorzugte Kurbelwellenmaterialien.
Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 7 wird einer Rissbildung nochmals deutlich entgegengewirkt.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei Figuren näher erläutert.

1 zeigt eine Aufsicht auf eine Kurbelwelle gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt einen Schnitt durch ein Endstück einer Kurbelwelle mit der erfindungsgemäßen Bearbeitung.

1 zeigt eine Aufsicht auf eine Kurbelwelle 1 gemäß dem Stand der Technik. Bei der in 1 dargestellten Kurbelwelle 1 handelt es sich beispielsweise um eine Serienkurbelwelle für den 6-Zylinder BMW Reihenmotor mit der internen Bezeichnung B57.
Die Kurbelwelle 1 weist sieben Hauptlager 2 sowie 6 Hubzapfen 3 auf, wobei die Hauptlager 2 und die Hubzapfen 3 über Hubwagen 4 verbunden sind. Die Hubwangen 4 können mit oder ohne Gegengewichte ausgeführt sein. An einem Ende der Kurbelwelle 1 befindet sich ein Flansch 9. Zwischen zu dem Flansch 9 und dem benachbart angeordneten Hauptlager 2 befinden sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei, mit der Kurbelwelle 1 gefertigte Zahnkränze 5, 7 für nicht dargestellte Kettentriebe.
Eine Kurbelwellenoberfläche zwischen dem Flansch 9 und dem Hauptlager 2 weist im Serienstand eine mittige Rautiefe R_z von etwa 7 µm auf. Ergebnisse an einem Torsionspulsprüfstand haben gezeigt, dass eine Beschränkung der maximal möglichen Torsionswechselfestigkeit für diese bekannte Kurbelwelle 1 vorliegt, da im Bereich des ersten Zahnkranzes 5 und des zweiten Zahnkranzes 7 Anrisse erfolgen können, die zu einer Schädigung der Kurbelwelle 1 führen können.
2 zeigt einen Schnitt durch ein flanschseitiges Ende einer erfindungsgemäße Kurbelwelle 1 im Bereich des Flansches 9 und des ersten Zahnkranzes 5 und des zweiten Zahnkranzes 7. Erfindungsgemäß weist die Kurbelwellenoberfläche 6 zwischen dem Hauptlager 2 und dem ersten Zahnkranz 5 eine mittlere Rautiefe R_z von kleiner 3µm auf. Auch die Kurbelwellenoberfläche 6 zwischen dem ersten Zahnkranz 5 und dem zweiten Zahnkranz 7 weist eine gemittelte Rautiefe R_z von weniger als 3µm auf. Weiter weist auch die Kurbelwellenoberfläche 6, die sich benachbart zu dem zweiten Zahnkranz 7, auf der dem ersten Zahnkranz 5 gegenüberliegenden Seite befindet eine mittlere Rautiefe R_z von kleiner 3 µm auf.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die Kurbelwellenoberfläche 6 mit der gemittelten Rautiefe R_z von kleiner 3 µm bis an die Zahnkranzflanken 8 heran.
Die gemittelte Rautiefe R_z kleiner 3µm wird bevorzugt durch Schleifen oder Finishen oder Polieren hergestellt. Darüber hinaus ist die Kurbelwelle 1 vorzugsweise aus einem Stahlwerkstoff, wie beispielsweise C38+N oder C38MOD oder 44MNSIVS6 oder 37CRS4MOD oder 42CRMO4.
Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Kurbelwelle geschmiedet oder gegossen sein.
Untersuchungen an einem Torsionspulsprüfstand haben gezeigt, dass durch die erfindungsgemäße Erhöhung der Oberflächengüte in den o. g. kritischen Bereichen, insbesondere im Bereich der Übergangsradien zum Kettenrad, von ca. R_z =7µm auf R_z kleiner 3µm, eine nachweisliche Erhöhung der Torsionswechselfestigkeit der gesamten Kurbelwelle 1 im Bereich von 10 bis 30 % erreicht werden kann. Durch Rollieren in Form von Festwalzen (Erhöhen der Druckeigenspannung) ist nochmals eine deutlich höhere Festigkeitssteigerung zu erwarten. Somit besteht zum einen die Möglichkeit höhere Torsionsmomente mit der Kurbelwelle 1 zu übertragen. Zum anderen kann im Sinne eines Leichtbauansatzes bei gleichem zu übertragenden Drehmoment die Kurbelwelle 1 leichter und somit mit weniger Einsatzmaterial konstruiert werden.
Bezugszeichenliste

1.: Kurbelwelle
2.: Hauptlager
3.: Hubzapfen
4.: Hubwange
5.: erster Zahnkranz
6.: Kurbelwellenoberfläche
7.: zweiter Zahnkranz
8.: Zahnkranzflanke
9.: Flansch

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0399246 A1 [0002]
DE 2930968 C2 [0003]
DE 10327840 A1 [0004]

Claims

Kurbelwelle (1) für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Hauptlagern (2) und einem Hubzapfen (3), wobei zwischen den Hauptlagern (2) und dem Hubzapfen (3) jeweils eine Hubwange (4) angeordnet ist, die die Hauptlager (2) mit dem Hubzapfen (3) verbinden, wobei die Kurbelwelle (1) zumindest einen, zu einem Hauptlager (2) axial beabstandeten ersten Zahnkranz (5) für einen Antrieb eines Kettentriebes aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kurbelwellenoberfläche (6) zwischen dem Hauptlager (2) und dem ersten Zahnkranz (5) eine gemittelte Rautiefe R_z von kleiner 3 µm aufweist.
Kurbelwelle nach Patentanspruch 1, wobei axial beabstandet zu dem ersten Zahnkranz ein zweiter Zahnkranz vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwellenoberfläche (6) zwischen dem ersten Zahnkranz (5) und dem zweiten Zahnkranz (7) eine gemittelte Rautiefe R_z von kleiner 3 µm aufweist.
Kurbelwelle nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwellenoberfläche (6) benachbart zu dem zweiten Zahnkranz (7), auf der dem ersten Zahnkranz (5) gegenüber liegenden Seite eine gemittelte Rautiefe R_z von kleiner 3 µm aufweist.
Kurbelwelle nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gemittelte Rautiefe R_z durch Schleifen oder Finishen oder Rollieren hergestellt ist.
Kurbelwelle nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Stahlwerkstoff hergestellt ist.
Kurbelwelle nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlwerkstoff C38+N oder C38mod oder 44MnSiVS6 oder 37CrS4mod oder 42CrMo4 ist.
Kurbelwelle nach einem der Patentansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kurbelwellenoberfläche (6) mit der gemittelten Rautiefe R_z von kleiner 3 µm bis an Zahnkranzflanken (8) erstreckt.