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Die
Erfindung betrifft eine Kurbelwelle für einen insbesondere als Großdieselmotor
ausgebildeten Kurzhubmotor mit wenigstens einem Lagerzapfen und
wenigstens einem in radialer Richtung hiergegen versetzten Pleuelzapfen,
wobei der Lagerzapfen und der Pleuelzapfen gegenläufig von
einer sie verbindenden Kurbelwange abstehen und wobei der Lagerzapfen
und/oder der Pleuelzapfen einen in eine zugeordnete Stufenbohrung
der Kurbelwange eingreifenden, durch einen Schrumpfverband hierin festgelegten
Eingriffsstutzen aufweist (en) der in Einschubrichtung hintereinander
angeordnete, gegeneinander abgestufte Bereiche aufweist, die im
kalten, unmontierten Zustand gegenüber dem jeweils zugeordneten
Bereich der Stufenbohrung radiales Übermaß aufweisen.
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Eine
derartige Kurbelwelle ist aus der DK-PS 122 682 bekannt. Bei Großmotoren
ist es zur Reduzierung des Montagegewichts vielfach erforderlich, die über alle
Zylinder durchgehende Kurbelwelle aus kleineren Baugruppen zusammenzusetzen.
Dabei wird unterschieden zwischen solchen Kurbelwellen, bei denen
nur artgleiche, in der Regel die Lagerzapfen, durch einen Schrumpfverband
mit den zugeordneten Kurbelwangen verbunden und die anderen Zapfen,
in der Regel die Pleuelzapfen, an die zugeordneten Kurbelwangen
angeformt sind, und solchen Kurbelwellen, bei denen sowohl die Lagerzapfen
als auch die Pleuelzapfen in zugeordnete Bohrungen der Kurbehvangen
eingeschrumpft sind.
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Bei
Kurzhubmotoren ist nun davon auszugehen, dass der radiale Abstand
zwischen den Lagerzapfen und den Pleuelzapfen im Bereich der Summe
der Zapfenradien liegt oder noch kleiner ist. Um dennoch die Kurbelwangen
durch die den Eingriffsstutzen zugeordneten Bohrungen nicht zu sehr zu
schwächen,
sind bei der aus der oben genannten DK-PS 122 682 entnehmbaren Anordnung
der hintere und der vordere Bereich des Eingriffsstutzens so gegeneinander
abgestuft, dass der vordere Bereich einen kleineren Durchmesser
als der hintere Bereich aufweist. Dabei ist bisher das zur Herstellung
des Schrumpfverbands benötigte Übermaß der Zapfen gegenüber dem
jeweils zugeordneten Bohrungsdurchmesser ein fester Prozentsatz
des Bohrungsdurchmessers. Es besteht daher die Gefahr, dass der hintere,
einen vergleichsweise großen
Durchmesser und dementsprechend auch ein großes Übermaß aufweisende Bereich des Eingriffssstutzens
den zugeordneten Bereich der Kurbelwange nach Herstellung des Schrumpfverbands
so aufweitet, dass sich im vorderen Bereich ein Spalt zwischen dem
einen kleineren Durchmesser mit kleinerem Übermaß aufweisenden, vorderen Bereich
des Eingriffsstutzens und dem diesem Bereich zugeordneten Abschnitt
der Bohrung der Kurbelwange ergibt, wie in 5 angedeutet ist. Im Falle einer Beanspruchung
muss daher der gesamte Kraftfluss über den rückwärtigen Bereich des Eingriffsstutzens
laufen, was sich ungünstig auf
die Höhe
des übertragbaren
Drehmoments auswirkt.
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Ferner
sind aus verschiedenen weiteren Schriften zusammengesetzte Kurbelwellen
bekannt, bei denen versucht wurde, mittels gestufter Lagerzapfen
die Eigenschaften der Pressverbindung zwischen Kurbelwange und Lagerzapfen
zu verbessern, wobei es jedoch nicht gelang, die obenstehenden Nachteile
vollständig
zu beseitigen:
So ist es aus der Schrift
GB 1,095,370 bekannt, die Übergangspassung
zwischen dem gestuften Lagerzapfen und der Kurbelwange so auszulegen, dass
im vorderen Bereich geringeren Durchmessers ein niedrigerer Anpressdruck
als im hinteren Bereich größeren Durchmessers
wirkt. Dadurch sollen die Spannungskonzentrationen an der benachbarten Kurbelwangenkante
zum Pleuelzapfen hin verringert werden. Die Spaltbildung zwischen
dem vorderen Bereich des Eingriffsstutzens und dem diesem Bereich
zugeordneten Abschnitt der Bohrung der Kurbelwange wird dadurch
aber noch gefördert.
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Aus
der deutschen Patentschrift
DE
364 371 ist es ferner bekannt, den Kurbelzapfen und die
entsprechende Bohrung in der Kurbelwange mehrfach zu stufen und
die Stufen zu verrunden, so dass die Kerbwirkung an den Stufen weniger
stark ausfällt. Wenn
damit die Unterschiede bezüglich
der Anpressdrücke
auf den verschiedenen Stufen auch geringer werden, so bleibt doch
auch hier das grundsätzliche Problem
der Spaltbildung bestehen.
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Schließlich zeigt
die US-Schrift 1,504,238 schon eine zusammengesetzte Kurbelwelle
der gattungsgemäßen Art,
bei der an der Stufe zwischen dem vorderen Bereich kleineren Durchmessers
und dem hinteren Bereich größeren Durchmessers
des Lagerzapfens ein konischer Übergang
vorgesehen ist. Auch dadurch können
zwar Kerbspannungsspitzen verringert werden, aber auch hier tritt
weiterhin das Problem der Spaltbildung auf.
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Hiervon
ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Kurbelwelle eingangs erwähnter
Art unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Anordnungen mit
einfachen und kostengünstigen
Mitteln so zu verbessern, dass ein vergleichsweise hohes Drehmoment übertragen
werden kann.
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Eine
erste erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe
besteht darin, dass das radiale Übermaß aller
Bereiche des Eingriffsstutzens gegenüber dem jeweils zugeordneten
Bereich der Stufenbohrung betragsmäßig gleich ist.
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Da
das radiale Übermaß im Bereich
aller Bereiche des Eingriffsstutzens betragsmäßig gleich ist, ist sichergestellt,
dass die Kurbelwange mit der Wandung sämtlicher Bereiche ihrer Stufenbohrung
in zuverlässigen
Eingriff mit sämtlichen
Bereichen des Eingriffszapfens kommt und eine Spaltbildung in vorteilhafter
Weise unterbleibt. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahmen wird erreicht, dass über der ganzen
Länge des
Eingriffsstutzens, das heißt
im Bereich sämtlicher
Bereiche des Eingriffsstutzens aneinander angeglichene Pressungen
erzielt werden, so dass insgesamt ein vergleichsweise großes Drehmoment übertragen
werden kann.
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Das
radiale Übermaß aller
Bereiche des Eingriffsstutzens kann dem aus materialtechnischer Sicht
zulässigen Übermaß des den
kleinsten Durchmesser aufweisenden Bereichs entsprechen. Hierdurch
werden eine mechanische Überbelastung
und damit eine plastische Verformung zuverlässig ausgeschlossen.
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Es
ist aber auch möglich,
dass das radiale Übermaß aller
Bereiche dem Mittelwert der aus materialtechnischer Sicht zulässigem Übermaße der verschiedenen
Bereiche des Eingriffsstutzens entspricht. Diese Variante ist zu
bevorzugen, wenn ein sehr hohes übertragbares
Drehmoment erwünscht ist.
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Eine
zweite, nebengeordnete Lösung
der oben genannte Aufgabe besteht darin, dass das radiale Übermaß am jeweils
vorderen Ende der hintereinander angeordneten Bereiche des Eingriffsstutzens einem
gleichen Prozentsatz des Durchmessers des jeweils zugeordneten Bereichs
der Stufenbohrung entspricht und dass jeder einem anderen Bereich vorgeordnete
Bereich zusätzlich
eine vom vorderen Ende ausgehende, entgegen der Einschubrichtung konusartige
Verdickung aufweist, wobei die Differenz zwischen dem vorderen und
dem hinteren Durchmesser der Differenz zwischen den an den vorderen Enden
der aufeinanderfolgenden Bereiche der Eingriffsstutzen vorgesehenen Übermaße entspricht.
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Hierbei
kann in vorteilhafter Weise die bisherige, prozentuale Ermittlung
des Übermaßes beibehalten
werden, was die Herstellung und insbesondere den Zusammenbau der
einzelnen Teile erleichtert. Die konische Ausgestaltung des vorderen
Bereichs des Eingriffsstutzens ist so gewählt, dass der infolge des großen Übermaßes des
hinteren Bereichs des Eingriffsstutzens hervorgerufene Spalt gerade äusgeglichen
und damit die bisher zu befürchtende Spaltbildung
verhindert werden. Der Konuswinkel ist jedoch vergleichsweise gering,
so dass die hierdurch verursachten Axialkräfte vernachlässigt werden
können.
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Nachstehend
werden zwei Ausführungsbeispiele
anhand der Zeichnung näher
beschrieben. Hierbei zeigen:
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1 einen
Abschnitt einer der ersten Lösung
entsprechenden, erfindungsgemäßen Kurbelwelle
teilweise im Schnitt,
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2 die
Anordnung gemäß 1 im
unmontierten, kalten Zustand,
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3 einen
Abschnitt einer der zweiten Lösung
entsprechenden erfindungsgemäßen Kurbelwelle
im unmontierten, kalten Zustand
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4 die
Anordnung gemäß 3 im
zusammengebauten Zustand und
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5 eine
Teilansicht des Standes der Technik.
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Hauptanwendungsgebiet
der Erfindung sind Großmotoren,
insbesondere als Schiffsantriebe etc. Verwendung findende Zweitakt-Großdieselmotoren mit
großem
Zylinderbohrungsdurchmesser und kleinem Hub. Als Beispiel für die Größenordnung
kann ein Zwölfzylinder-Großdieselmotor
mit einem Zylinderbohrungsdurchmesser von 980 mm erwähnt werden,
bei dem der Hub von bisher 2400 mm zur Erzielung höherer Drehzahlen
auf etwa 1200 mm reduziert wird. Diese beispielhafte Angabe stellt
natürlich
keine Beschränkung
dar.
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Die
der 1 zugrundeliegende Kurbelwelle enthält eine
Kurbelwange 1, von der einerseits ein Lagerzapfen 2 und
andererseits ein hierzu gegenläufiger,
in radialer Richtung hiergegen versetzter Pleuelzapfen 3 abstehen.
Der radiale Abstand zwischen Lagerzapfen 2 und Pleuelzapfen 3 ist
kleiner als die Hälfte
der Summe der Zapfendurchmesser. In 1 sind ein
Lagerzapfen 2 und ein Pleuelzapfen 3 dargestellt.
Bei einer Kurbelwelle für
einen Großmotor
sind selbstverständlich
mehrere, koaxial hintereinander angeordnete Lagerzapfen und mehrere,
entsprechend der gewünschten
Zündfolge
gegeneinander versetzte, achsparallele Pleuelzapfen vorgesehen.
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Der
dargestellte Lagerzapfen 2 ist durch einen Schrumpfverband
mit der Kurbelwange 1 verbunden. Der dargestellte Pleuelzapfen 3.
ist an die Kurbelwange 1 angeformt. Es sind natürlich auch Ausführungen
denkbar, bei denen nur der Pleuelzapfen 3 oder sowohl der
Lagerzapfen 2 als auch der Pleuelzapfen 3 durch
einen Schrumpfverband mit der Kurbelwange 1 verbunden sind.
Eine Ausführung
der zuletzt genannten Art ist bei besonders großen Motoren mit sehr schweren
Teilen zu bevorzugen.
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Jeder
durch einen Schrumpfverband mit der benachbarten Kurbelwange verbundene
Zapfen, hier der Lagerzapfen 2, enthält einen in eine zugeordnete Bohrung 4 der
Kurbelwange 1 eingreifenden, durch einen Schrumpfverband
hierin festgelegten Eingriffsstutzen 5. Bei der Montage
wird die Kurbelwange 1 erwärmt. Anschließend wird
der Eingriffsstutzen 5 in Richtung der durch einen Pfeil 6 angedeuteten
Einschubrichtung in die Bohrung 4 eingeführt. Bei
der anschließenden
Abkühlung
der Kurbelwange 1 entsteht der gewünschte Schrumpfverband. Hierzu
ist im Bereich des Eingriffsstutzens 5 ein entsprechendes Übermaß gegenüber der
zugeordneten Bohrung 4 im kalten Zustand vorgesehen.
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Der
Eingriffsstutzen 5 besitzt zwei in Einschubrichtung hintereinander
angeordnete, gegeneinander abgestufte Bereiche 7, 8,
die bei der Ausführung
gemäß 1 und 2 beide
eine zylindrische Umfangskontur aufweisen. Der in Einschubrichtung
hintere, zylindrische Bereich 7 besitzt einen vergleichsweise
großen
Durchmesser D, der in etwa dem Durchmesser des Lagerzapfens 2 entsprechen kann.
Der Durchmesser d des vorderen Bereichs 8 ist demgegenüber um bis
zu etwa 1/3 reduziert, so dass sich die gewünschte Abstufung ergibt. Die
Bohrung 4 ist als Stufenbohrung ausgebildet, die den Bereichen 7, 8 des
Eingriffsstutzens 5 zugeordnete, in entsprechender Weise
gegeneinander abgestufte Bereiche 9, 10 aufweist,
deren Durchmesser mit D' bzw.
d' bezeichnet sind.
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Der
Durchmesser D des rückwärtigen Bereichs 7 und
der Durchmesser d des vorderen Bereichs 8 des Eingriffsstutzens 5 sind
jeweils, wie in 2 angedeutet ist, um das zur
Bewerkstelligung eines Schrumpfverbands vorgesehene Übermaß 2ü größer als
der Durchmesser D' des
rückwärtigen Bereichs 9 und
d' des vorderen
Bereichs 10 der als Stufenbohrung ausgebildeten Bohrung 4 der
kalten Kurbelwange 1 im unmontierten Zustand. Das Übermaß 2ü des hinteren
Bereichs 7 und des vorderen Bereichs 8 des Eingriffsstutzens 5 ist
betagsmäßig gleich,
das heißt
misst dieselbe Strecke. Hierdurch ist sichergestellt, dass sich
bei der Herstellung des Schrumpfverbandes sowohl im hinteren Bereich 7 als auch
im vorderen Bereich 8 des Eingriffsstutzens 5 in etwa
gleiche Pressungen ergeben und eine Aufdehnung des den kleineren
Durchmesser d' aufweisenden,
vorderen Bereichs 10 der Bohrung 4 durch den in
den rückwärtigen Bereich 9 der
Bohrung 4 eingreifenden, rückwärtigen Bereich 7 des
Eingriffsstutzens 5 unterbleibt, wodurch die beim Stand
der Technik vorkommende Spaltbildung verhindert wird.
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Das
sowohl im hinteren Bereich 7 als auch im vorderen Bereich 8 des
Eingriffsstutzens 5 vorgesehene Übermaß 2ü kann dem aus materialtechnischer
Sicht zulässigen Übermaß des den
kleineren Durchmesser d aufweisenden, vorderen Bereichs 8 entsprechen.
Hierdurch ist sichergestellt, dass auch in diesem Bereich 8 unzulässige Pressungen
und damit eine unzulässige
Verformung unterbleiben. Gemäß einer
anderen, in der Praxis besonders zweckmäßigen Variante kann das Übermaß dem Mittelwert der
aus materialtechnischer Sicht zulässigem Übermaße aller Bereiche 7, 8 des
Eingriffsstutzens 5 betragen.
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Bei
einem Großmotor
mit einem Durchmesser d' von
980 mm und einem Durchmesser D' von 1090
mm werden mit einem Übermaß 2ü von 2,6
mm gute Ergebnisse erzielt. Das vorgesehene Übermaß soll zweckmäßig die
größte zugelassene
Toleranz nicht unterschreiten, sondern eher überschreiten. Bei dem vorstehenden
Beispiel beträgt
diese Toleranz 2,48 im vorderen bzw. 2,58 mm im hinteren Bereich.
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Der
grundsätzliche
Aufbau der nachstehend beschriebenen Anordnung gemäß 3 und 4 entspricht
der Anordnung gemäß 1 und 2. Für gleiche
Teile finden daher der Einfachheithalber gleiche Bezugszeichen Verwendung.
Bezüglich
des grundsätzlichen
Aufbaus wird auf die obige Beschreibung Bezug genommen. Nachstehend
wird in erster Linie auf die Unterschiede abgestellt.
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Bei
der Ausführung
gemäß 3 und 4 entspricht
das dem hinteren Bereich 7 und dem vorderen Bereich 8 des
Eingriffsstutzens 5 jeweils zugeordnete Übermaß 2ü1 bzw. 2ü2 jeweils einem gleichen Prozentsatz des
Durchmessers des jeweils zugeordneten Bereichs 9 bzw. 10 der
als Stufenbohrung ausgebildeten Bohrung 4 der Kurbelwange 1. Der
Prozentsatz ist materialabhängig
und liegt bei einem Großmotor
hier vorliegender Art bei 0,1 bis 0,13%. Aufgrund der betragsmäßigen Unterschiede der
Durchmesser D' und
d' der Bereiche 9 bzw. 10 ergibt
sich dementsprechend ein betragsmäßiger Unterschied zwischen
dem Übermaß 2ü1 und dem Übermaß 2ü2 der
Bereiche 7 bzw. 8 des Eingriffsstutzens 5,
wie in 3 angedeutet ist.
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Um
dennoch eine Aufdehnung des vorderen Bereichs 10 der Bohrung 4 durch
den in den hinteren Bereich 9 der Bohrung 4 eingreifenden,
hinteren Bereich 7 des Eingriffsstutzens 5 zu verhindern
und dementsprechend die beim Stand der Technik sich ergebende Spaltbildung
zu vermeiden, besitzt der vordere Bereich 8 des Eingriffsstutzens 5 zusätzliche eine
konische, vom vorderen Ende ausgehende, entgegen der Einschubrichtung
zunehmende Verdickung. Der vordere Bereich 8 besitzt dementsprechend
eine konusstumpfförmige
Umfangskontur. Am vorderen Ende des Bereichs 8 des Eingriffsstutzens 5 ist
der Durchmesser d vorgesehen, der sich aus dem Durchmesser d' des zugeordneten
Bereichs 10 der Stufenbohrung zuzüglich des Übermaßes ü2 ergibt.
Der im Bereich des Ansatzes des vorderen Bereichs 8 an
den hinteren Bereich 7 vorgesehene, rückwärtige Durchmesser dr ist infolge der konusartigen Verdickung
größer als
der vordere Durchmesser d. Die Differenz zwischen dr und
d entspricht der Differenz zwischen dem Übermaß ü1 des
rückwärtigen Bereichs 7 des
Eingriffsstutzens 5 und dem am vorderen Ende des vorderen
Bereichs 8 des Eingriffsstutzens 5 vorgesehenen Übermaß ü2. Der hieraus resultierende Konuswinkel α ist, wie
aus 3 entnehmbar ist, vergleichsweise gering, so dass
die aus der Konizität
resultierende Axialkräfte
sehr klein sind und keine Maßnahmen
zur Verriegelung des Eingriffsstutzens 5 gegen Axialbewegung
erforderlich machen.
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Dennoch
reicht die Konizität
des vorderen Bereichs 8 des Eingriffsstutzens 5 aus,
um, wie aus 4 hervorgeht, nach der Herstellung
des Schrumpfverbandes eine satte Anlage der Wandung des vorderen
Bereichs 10 der als Stufenbohrung ausgebildeten Bohrung 4 der
Kurbelwange 1 am Außenumfang
des zugeordneten, vorderen Bereichs 8 des Eingriffszapfens 5 zu
gewährleisten.
Der Kraftfluss bei der Übertragung
von Drehmomenten verteilt sich daher in vorteilhafter Weise auf
die ganze Länge
des Eingriffsstutzens 5.
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Im
dargestellten Beispiel gemäß 3 und 4 besitzt
der Eingriffsstutzen 5 lediglich zwei Bereiche, nämlich den
hiriteren, zylindrischen Bereich 7 und den vorderen konusstumpfartigen
Bereich 8. Sofern der Eingriffsstutzen mehr als zwei Bereiche
aufweist, ist zweckmäßig jeder
einem anderen Bereich vorgeordnete Bereich kegelstumpfförmige ausgebildet.
Nur der hinterste Bereich ist zweckmäßig, wie im dargestellten Beispiel,
zylindrisch. Auch hier gilt, dass der jeweils vordere Durchmesser
der konusstumpfartigen Bereiche dem Durchmesser des jeweils zugeordneten
Bereichs der Stufenbohrung zuzüglich
des rechnerischen Übermaßes entspricht und
dass der Durchmesser hiervon ausgehend entgegen der Einschubrichtung
etwas zunimmt. Der Durchmesser des hintersten Bereichs des Eingriffsstutzens 5 ist
auf der ganzen Länge
des zugeordneten Bereichs gleich.