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Die Erfindung betrifft eine Kurbelwange und eine Kurbelwelle mit den Merkmalen der Oberbegriffe des Hauptanspruchs und des zugehörigen Nebenanspruchs. Die Erfindung betrifft vornehmlich Kurbelwellen für Boxermotoren bei denen zwischen zwei Zylindern kein Hauptlager angeordnet ist. Dies betrifft beispielsweise Zweizylinderboxermotoren mit zwei Hauptlagern und zwei dazwischen angeordneten, um 180° versetzten Pleuellagern, bzw. alle Boxermotoren bei denen die Anzahl der Hauptlager n(Hauptlager) = 1+n(Zylinder)/2 ist. Bei diesen Bauweisen sind die beiden zwischen den Hauptlagern liegenden entgegengesetzten Hubzapfen durch eine Zwischenwange verbunden welche einen möglichst geringen axialen Bauraum einnehmen soll um den Bankversatz gering zu halten. Die Erfindung betrifft ferner Inline-Boxermotoren, welche sich von konventionellen Boxermotoren dadurch unterscheiden, dass zwischen zwei Hauptlagern drei Hubzapfen angeordnet sind, wobei der erste und letzte Hubzapfen über jeweils ein Pleuel mit einen Kolben verbunden sind und er mittlere Hubzapfen über ein zentrales Pleuel mit dem gegenüberliegenden, koaxial angeordneten Kolben verbunden sind. Es versteht sich, dass hierbei zwei Zwischenwangen vorhanden sein müssen, welche einen sehr kleinen axialen Bauraum aufweisen müssen, damit die äußeren beiden Pleuel des erstgenannten Zylinders möglichst nahe an der Zylindermitte liegen, um den notwendigen Freigang der Pleuel gegenüber der Zylinderlauffläche zu gewährleisten ohne auf eine ungünstige Bauweise mit einem extrem niedrigen Hub/Bohrungsverhältnis oder extrem langen Pleueln ausweichen zu müssen. Es versteht sich, dass diese dreifach gekröpfte Bauweise kritisch hinsichtlich der Biegebeanspruchung ist, wodurch ein Zielkonflikt zwischen einer möglichst gedrängten Bauweise und einer ausreichenden Biegefestigkeit besteh
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Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Kurbelwange bzw. eine Kurbelwelle möglichst stabil auszuführen.Die beschriebenen Kurbelwellen sind aufgrund der doppelten oder dreifachen (Inline-Boxer) Kröpfung zwischen zwei Hauptlagern deutlich empfindlicher gegenüber Biegeschwingungen als Kurbelwellen von Reihenmotoren oder V-Motoren welche i.d.R. mit nur einer Kröpfung zwischen zwei Hauptlagern ausgeführt werden. Es versteht sich daher, dass diese Kurbelwellen möglichst steif bei einem möglichst niedrigen Gewicht ausgeführt sein sollen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch Kurbelwangen und Kurbelwellen mit den Merkmalen des Hauptanspruchs und des zugehörigen Nebenanspruchs gelöst. Weitere, ggf. auch unabhängig hiervon, vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung betrifft vorzugsweise „gebaute“ Kurbelwellen welche i.d.R. mit ungeteilten unteren Pleuellagern kombiniert werden. Diese Bauweise ermöglicht u.a. den Einsatz ungeteilter Wälzlager in den Pleuellagern und hilft auch im Falle einer Gleitlagerung das Pleuelgewicht niedrig zu halten wodurch eine erhebliche Gewichtsreduktion gegenüber geteilten Pleuellagern ermöglicht wird. Bei dem letztgenannten Aspekt ist zu beachten, dass aus Gründen des Massenausgleichs ein höheres Pleuelgewicht i.d.R. zu einem höheren Gewicht der Ausgleichsmassen führt.
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Es versteht sich, dass die Merkmale der vorstehend bzw. in den Ansprüchen beschriebenen Lösungen gegebenenfalls auch kombiniert werden können, um die Vorteile entsprechend kumuliert umsetzen zu können. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die nicht unmittelbar mit einem Hauptlager verbundenen Zwischenwangen von Boxermotoren hohl ausgeführt sind und aus zwei weitgehend schalenförmigen Elementen bestehen welche miteinander verschweißt oder verschraubt werden können. Es versteht sich, dass hierbei eine ebene Trennebene vorziehen ist. Aus Gründen einer einfachen Verschweißbarkeit ist eine nach außen kreisförmige Berührfläche der beiden Hälften vorzusehen, wodurch gleichzeitig der zur Verfügung stehende Bauraum optimal für eine möglichst biegesteife Ausführung genutzt wird.
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Die Vorzugsvariante sieht hierbei eine Kombination mit einer geteilten Kurbelwellenbauweise vor, bei der die einzelnen Elemente (Hubzapfen, Kurbelwangen, ggf. Hauptlager) miteinander durch Zentralschrauben zusammengehalten werden, z.B. wie bei der sogenannten Hirth Bauweise mit Hirthverzahnung (Axialverzahnung). Alternativ können auch andere Möglichkeiten anstelle einer Axialverzahnung eingesetzt werden, beispielsweise kann auch ein Formschluss durch eingelegte Kugeln nach hergestellt werden, um bei solchen Bauweisen eine ausreichende Gewindelänge für die Zentralschrauben darzustellen, muss i.d.R. annähernd die gesamte Wangenbreite für die Gewindelänge genutzt werden. Bei Inline Boxermotoren kann es sogar notwendig sein, die Hubzapfen zumindest Teilweise als Bestandteil der Wangen auszuführen um eine ausreichende Gewindelänge darstellen zu können, in dem Fall kann das Gewinde zumindest teilweise auch in dem Hubzapfen angeordnet werden.
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Die Erfindung sieht bei der Anwendung der beschriebenen Zentralverschraubung eine Gestaltung der beiden Wangenhälften dergestalt vor, dass jede der beiden Wangenhälften um die Zentralschraube herum über die Trennungsebene hinaus verlängert ist, wobei annähern die gesamte zur Verfügung stehende Wangenbreite genutzt wird. Um dies zu ermöglichen, weißt jede der beiden Hälften eine entsprechende Aussparung auf, in der das überstehende Material um die Zentralschraube herum eintauchen kann. Es versteht sich, dass dieser Überstand vorzugsweise als zylindrischer Zapfen auszuführen ist, und in einer eng gepassten Aufnahmebohrung der Gegenwange aufgenommen werden kann. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit zwei Wangenhälften ineinander zu stecken. Zusätzlich ergibt sich auch die Möglichkeit beide Teile zwischen Zylinder und Bohrung mit einander zuverschweißen.Durch den Form- bzw. Materialschluss (je nachdem ob gesteckt oder verschweißt) zwischen Zylinder und Bohrung entsteht eine feste Verbindung welche Betriebskräfte übertragen kann. Durch die kreisrunde Verbindung zwischen Zylinder und Bohrung sind die Voraussetzungen für ein Verschweißen mittels Laser oder Elektronenstrahl sehr günstig.
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Um das Verschweißen zu erleichtern und um die Steifigkeit sowie Betriebsfestigkeit zu erhöhen, können die beiden Wangenhälften zusätzlich miteinander verschraubt werden. Hierdurch ist eine Vormontage vor dem Schweißen ohne störende Spalte zwischen den Teilen ermöglicht. Um durch die Verschraubung die Steifigkeit zu erhöhen, ist es sinnvoll die Schraubenbutzen über im Inneren liegenden Rippen mit dem Bereich der Krafteinleitung um zu den Hubzapfen hin zu verbinden.
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Um den Bauraum im Sinne maximaler Steifigkeit optimal auszufüllen, ist es sinnvoll die Form an die Pleuelgeigen (= Bauraum die das bewegte Pleuel beansprucht) optimal anzupassen. Hierbei kann wie bei gepressten Kurbelwellen üblich, in einer gedachten Ebene durch die beiden Hubzapfenachsen, ein S-Schlag der Wange ausgeführt werden, oder im Bereich der Pleuellager eine Rotationsform als Aussparung vorgesehen werden. Es versteht sich, dass hierbei eine vollständige Integration der Hubzapfen in die Wange erschwert ist, da keine Schleifbearbeitung der Hubzapfen aufgrund des hierbei entstehenden Hinterschnitts möglich ist. Als Lösung bieten sich hierfür drei Lösungen an. Einmal ist die Verwendung von Laufringen für die Lagerflächen möglich, welche fertig bearbeitet auf die Hubzapfen aufgezogen werden. Alternativ können die Hubzapfen auch als separate Bauteile ausgeführt und beispielsweise mit der beschriebenen Zentralschraube mit den äußeren, hauptlagerseitigen Wangen und den Zwischenwangen verbunden werden. Ebenfalls ist es denkbar, die Hubzapfen mit den hauptlagerseitigen Wangen zu vereinen und diese mit den Zwischenwangen zu verbinden.
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Durch die geteilte Ausführung mit Trennung der Lagerfläche von den Zwischenwangen ergibt sich die Möglichkeit für die Lagerlaufflächen einen anderen Werkstoff einzusetzen als für die hohl ausgeführte Zwischenwange. Dies ermöglicht beispielsweise einen die Verwendung eines gut schweißbaren Werkstoffs für die hohl ausgeführten Zwischenwangen und einen gehärteten Lagerwerkstoff für die Laufflächen.
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Es versteht sich, dass die hohle Ausführung der Kurbelwelle auch zur Schmierstoffversorgung genutzt werden kann. Bei Kurbelwellen nach dem Stand der Technik, erfolgt die Schmierölversorgung i.d.R. durch lange Bohrungen welche das Öl von den Hauptlagern zu den Pleuellagern weiterleiten. Alternativ wird, insbesondere bei hochdrehenden Motoren, das Öl entlang der Drehachse an einem Kurbelwellenende zugeführt und durch Bohrungen zu den Pleuellagerstellen geführt. Die Schmierstoffversorgung der Pleuellager durch die Kurbelwelle betrifft in erster Linie gleitgelagerte Wellen bei denen eine Druckölversorgung gewährleistet sein muss. Das Einbringen der Schmierölbohrungen bei konventionellen Kurbelwellen ist aus zwei wesentlichen Gründen nachteilig, zum einen wird die Struktur der Kurbelwelle geschwächt und zum anderen ist das Einbringen von langen Bohrungen in einem hochfesten Werkstoff mit hohen Kosten verbunden. Es versteht sich, dass grade bei inline Boxermotoren das Einbringen der Schmierölbohrungen aufgrund der in Kurbelwellenachsrichtung sehr gedrängten Bauweise sehr erschwert ist. Die geteilte und hohle Ausführung der erfindungsgemäßen Kurbelwelle benötigt nur kurze Bohrungen und ermöglichen einen zur Lagerachse senkrechten Verlauf im Bereich der Lagerstellen. Beim der Verwendung von Laufringen an den Lagerstellen, kann die Ölaustrittsbohrung im Bereich der Teilungsebene angeordnet werden. Wenn in der Teilungsebene zwischen zwei Wangen die zuvor beschriebene Kugeln zur formschlüssigen Kraft- und Drehmomentübertragung eingesetzt werden, dann ergibt sich durch den vorhandenen Spalt die Möglichkeit das Öl von einer beliebigen Ölzuleitungsbohrung zur Teilungsebene über diesen Spalt zu dem Laufring zu leiten. Hierdurch kann die Ölaustrittsbohrung im Laufring in einem beliebigen Winkel radial angeordnet werden. Da der Laufring nicht wesentlich an der Übertragung des Drehmoments beteiligt ist, ergibt sich durch die Bohrung auch keine nennenswerte Schwächung der Kurbelwelle. Anders als bei konventionellen Kurbelwellen muss dabei kein Kompromiss zwischen Fertigungsmöglichkeit, Festigkeit und optimaler Schmierstoffversorgung gemacht werden.
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Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen erläutert, die insbesondere auch in anliegender Zeichnung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen die 1 bis 10. Die 1 bis 4 zeigen verschiede Ansichten einer Wangenhälfte derZwischenwange eines Boxermotors. 1 zeigt die Draufsicht auf die Teilungsebene (2) der Zwischenwange, die 2 eine Schnittansicht derselben mit Schnittverlauf durch die Hubzapfenachsen, die 3 eine Draufsicht von der Außenseite und 4 ist eine perspektivische Darstellung welche insbesondere die Innenseitengeometrie verdeutlicht. Auf der Teilungsebene ist die äußere Kontur (1) kreisförmig um den vorhandenen Bauraum möglichst vollständig auszunutzen und um eine günstige Voraussetzung für das Verschweißen mit dem Gegenstück zu schaffen. Das Teil weißt eine kreisförmige Aussparung (3) auf, welche annähernd den selben Durchmesser aufweist wie der Zapfen (4). Hierdurch können zwei gleichartige Wangenhälften ineinander gesteckt werden wobei die Teile durch die Paarung Zylinder/Bohrung zueinander gepasst werden. Um die Verbindung zu dem angrenzenden Hubzapfen herzustellen, ist eine Gewindebohrung (5) für eine Zentralschraube vorgesehen. Die formschlüssige Übertragung der Kräfte und Momente in den angrenzenden Hubzapfen erfolgt hierbei durch Kugeln welche in sphärische Vertiefungen (6) eingelegt werden.
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Die 5,6 und 7 zeigen zwei von den zuvor beschriebenen Wangenhälftenwelche erfindungsgemäß zusammengesteckt worden sind. Die 5 zeigt die aus den Wangenhälften gebildete Zwischenwange in der Draufsicht, senkrecht zur Kurbelwellenachsrichtung, die 6 zeigt die Zwischenwange im Schnitt durch die Hubzapfenachsen und die 7 zeigt eine perspektivische Ansicht. Die beiden Wangenhälften werden durch zwei Schrauben (7) miteinander verbunden, wobei die Schraubenbutzen (8) durch Rippen (9) in Richtung Hubzapfen angebunden sind (1). Zusätzlich zu der Verschraubung, kann eine Verschweißung der Bauteile an den Berührflächen (10) erfolgen, beispielsweise durch Elektronenstrahl- oder Laserschweißen.
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Die beschriebene Zwischenwange ist in den und in einer Zweizylinderkurbelwelle verbaut dargestellt. Hierbei zeigt die 8 die Draufsicht in Kurbelwellenachsrichtung und 9 die Schnittansicht durch die Achsen der Hauptlager und Hubzapfen. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Kurbelwelle im Wesentlichen aus fünf Elementen zusammengebaut die miteinander über die Zentralschrauben (11) miteinander verschraubt sind. Die Kurbelwelle besteht im Wesentlichen aus den äußeren Kurbelwangen (12) welche einteilig mit den Hauptlagern ausgeführt sind, den Hubzapfen (13), welche formschlüssig über eingelegte Kugeln (14) mit den äußeren Kurbelwangen und der Zwischenwange verbunden sind und der Zwischenwange welche aus zwei Wangenhälften gebildet wurde.
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Die 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Kurbelwelle, bei der die Hubzapfen (13) und die äußeren Kurbelwangen (12) als ein Teil ausgeführt sind.
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Die 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei dem der Hubzapfen (13) zum Teil in der äußeren Wange und zum Teil in der Zwischenwange integriert ist. Da eine Schleifbearbeitung des Hubzapfens wegen des S-Schlags der Wange nicht möglich ist, ist hierbei ein Lagerring (15) aufgezogen. Dieser Lagerring kann neben der Funktion der Bereitstellung der Lagerflächen der Pleuellager auch eine stabilisierende Funktion der Kurbelwelle durch Aufnahme von Querkräften übernehmen. Hierbei werden die Verbindungskugeln zumindest teilweise von der Kraftübertragung entlastet.
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12 zeigt eine Kurbelwelle für einen Inline-Boxermotor. Bei Inline Boxermotoren gibt es keinen Versatz zwischen den Zylinderachsen. In dieser Ausführung gibt es für einen Zylinder ein Pleuel (23) welches mit dem Kolbenbolzen eines Zylinders verbunden ist (nicht dargestellt) verbunden ist, und zwei Pleuel (24) welche mit dem Kolbenbolzen des gegenüber liegenden Zylinders verbunden sind. Im Unterschied zu konventionellen Motoren sind hier zwei Zwischenwangen verbaut (16, 17), welche beide erfindungsgemäß hohl ausgeführt sind und aus jeweils zwei miteinander verbundenen Teilen (18,19 sowie 20,21) gebildet werden. Die Verschraubung der Kurbelwangen ist in dieser Variante mittels Differentialschrauben ausgeführt, wobei hier auch der Einsatz konventioneller Schrauben möglich wäre. Differentialschrauben (22) zeichnen sich dadurch aus, dass die Gewindeansätze an beiden Enden den gleichen Drehsinn aber unterschiedliche Steigungen haben, dementsprechend sind auch die Gewinde in den Wangen gefertigt. Diese Art der Kurbelwellenverschraubung (Hirth-Bauweise) war früher für Ren- und Flugmotoren sehr etabliert und hat sich als sehr sicher gegen unabsichtliches Lösen erwiesen.
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13 zeigt die Ausführung einer Wangenhälfte (21) aus 12 in perspektivischer Ansicht. Hierbei wird die hohle Ausführung verständlich welche in der Schnittansicht der 12 nicht erkennbar ist.
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Ein Ausführungsbeispiel mit Ölzuführung durch den Hohlraum der Kurbelwangen zeigen die 14-17. Die 14 zeigt einen Schnitt durch die Kurbelwelle mit Pleuel durch die Ebene der Zylinderachsen und Kurbelwellenachse. Die 15 zeigt eine Schnittansicht der ersten Wangenhälfte der ersten Zwischenwange. Die 16 zeigt eine perspektivische Ansicht derselben. Die Figur zeigt die 1. Wangenhälfte der zweiten Zwischenwange in einer perspektivischen Schnittansicht. Bei dieser Kurbelwelle wird das Öl entlang der Kurbelwellenachse (30) zugeführt. Von dort aus gelangt ein Teil des Öls über eine Querbohrung (31) zum 1. Hauptlager (32). Durch eine Bohrung (33) wird das Öl weitergeleitet in den Spaltraum (34) zwischen den Wangen. Ein Teil des Öls, wird dabei über die Bohrung (35) zum 1. Pleuellager (36) weitergeleitet. Der übrige Teil des Öls gelangt über Bohrungen (40) in den Hohlraum der 1. Zwischenwange (37). Von dort aus wird es über eine Nut (38) in der 1. Wangenhälfte (39) zu den Bohrungen (41) in der zweiten Wangenhälfte (42) geleitet welche das Öl wiederrum in den Spaltraum (43) des zentralen Pleuellagers (44) weiterleiten. Die zweite Zwischenwange ist analog zur ersten ausgeführt und erlaubt damit die Weiterleitung eines Teils der Öls zum 2. Pleuellager und von dem Spaltraum (45) durch Bohrungen (46; 47) zum 2. Hauptlager (48).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wangenhälfte
- 2
- Teilungsebene
- 3
- kreisförmige Aussparung
- 4
- Zapfen
- 5
- Gewindebohrung
- 6
- sphärische Vertiefung
- 7
- Schraube
- 8
- Schraubenbutzen
- 9
- Rippen
- 10
- Berührfläche
- 11
- Zentralschraube
- 12
- äußere Kurbelwangen
- 13
- Hubzapfen
- 14
- Kugel
- 15
- Lagerring
- 16/17
- Zwischenwangen
- 18/19/20/21
- Zwischenwangenhälften
- 22
- Differentialschraube
- 23
- Zentralpleuel Inlineboxer
- 24
- Seitenpleuel Inlineboxer
- 30
- Kurbelwellenachse
- 31
- Querbohrung
- 32
- Hauptlager
- 33
- Bohrung
- 34
- Spaltraum
- 35
- Bohrung
- 36
- Pleuellager
- 37
- Hohlraum Zwischenwange
- 38
- Nut
- 39
- Wangenhälfte mit Nut
- 40/41
- Bohrung
- 42
- Wangenhälfte
- 43
- Spaltraum
- 44
- Pleuellager
- 45
- Spaltraum
- 46/47
- Bohrung
- 48
- 2.Pleuellager
