DE1922488A1 - Compound crankshaft for multi-cylinder piston engines, especially internal combustion engines - Google Patents
Compound crankshaft for multi-cylinder piston engines, especially internal combustion enginesInfo
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Description
Dr.-lng. h. c. F. PORSCHE KG · 7 STUTTGART-ZUFFENHAUSEN · PORSCHESTRASSE 42Dr.-lng. H. c. F. PORSCHE KG 7 STUTTGART-ZUFFENHAUSEN PORSCHESTRASSE 42
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Zusammengesetzte Kurbelwelle für mehrzylindrige Kolbenmaschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen.Assembled crankshaft for multi-cylinder piston machines, in particular internal combustion engines.
Die Erfindung bezieht sich auf eine zusammengesetzte Kurbelwelle für mehrzylindrige Kolbenmaschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen, die im Bereich vom Kurbelzapfen geteilt und unter Bildung einer Stoßfuge zusammengefügt ist.The invention relates to a composite crankshaft for multi-cylinder piston engines, in particular Internal combustion engine, which is divided in the area of the crank pin and joined together to form a butt joint.
Zweck der Erfindung ist die spannungsfreie Verbindung der Kurbelwellenhälften durch Elektronenstrahlschweißen.The purpose of the invention is the stress-free connection of the crankshaft halves by electron beam welding.
Es sind bereits Verbindungen von Kurbelwellenhälften bekannt, bei welchen die Wellenzapfen durch Spannbolzen o.dgl. miteinander verbunden sind (DP 7II 9^8). Diese Ausführung hat den Nachteil, daß zur Fertigung solcher Kurbelwellen ein erheblicher Zeit- und Arbeitsaufwand mit hoher Fertigungsgenauigkeit in Kauf genommen werden muß. Außerdem besteht bei solchen Verbindungen die Gefahr, daß der Spannbolzen infolge Wärmedehnung axiales Spiel bekommt, wodurch die Verzahnung beschädigt wird und die Verbindung sich löst. Bei Brennkraftmaschinen deren Antriebszahnrad zwischen dem Wellenzapfen drehfest angeordnet ist, (DP 762 655) ist eine Verbindung von Wellenzapfen und Zahnrad relativ aufwendig, sodaß eine wirtschaftliche Fertigung nicht möglich ist.There are already connections of crankshaft halves known in which the shaft journals or the like by clamping bolts. are connected to each other (DP 7II 9 ^ 8). This execution has the disadvantage that the production of such crankshafts requires a considerable amount of time and effort with high manufacturing accuracy must be accepted. In addition, there is a risk with such connections that the clamping bolt as a result Thermal expansion gets axial play, which damages the toothing and loosens the connection. In internal combustion engines whose drive gear is non-rotatably arranged between the shaft journal, (DP 762 655) is a connection of shaft journal and gear relatively expensive, so that an economical production is not possible.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einzelne Wellenzapfen mit einfachen Mitteln derart zu verbinden, daß die Kurbelwelle eine drehfeste und unlösbare Einheit bildet, wobei nach der Verbindung nur noch die Schweißnaht Uberschliffen werden muß.In contrast, the invention is based on the object of connecting individual shaft journals with simple means in such a way that that the crankshaft forms a non-rotatable and non-detachable unit, after which only the connection Weld seam must be sanded.
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ΠΙ! FON 8VI4t · TElEX Ι/Λί/18/l POKSCHfAUIO "STUlTGARTΠΙ! FON 8VI4t · TElEX Ι / Λί / 18 / l POKSCHfAUIO "STUlTGART
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die in der Ebene von einem oder, mehreren Wellenzapfen senkrecht geteilte Kurbelwelle an den Stoßfugen benachbarter Wellenzapfen ringförmige Stirnflächen besitzt, die gegeneinander gerichtet unter Bildung eines entlüftbaren Hohlraumes durch Elektronenstrahlschweißen miteinander verbunden sind. Vorteilhaft erfolgt die Verbindung der Stirnflächen der Wellenzapfen unter Vermittlung einer der Haftverbindung dienenden Zwischenschicht. Vorzüglich wird die Zwischenschicht durch eine Folie gebildet, die in der Ebene der Stoßfuge der Wellenzapfen angeordnet ist. Von besonderem Vorteil ist, daß der zwischen den Wellenzapfen sich erstreckende Hohlraum mit axial zur Drehachse verlaufenden Entlüftungsbohrungen versehen ist. Bei mit einem Antriebszahnrad versehenen Kurbelwellen ist von Vorteil, daß das Antriebszahnrad mit ringförmigen Anlageflächen versehen ist, die über die Zahnbreite vorstehen und festhaftend mit den ringförmigen Stirnflächen der Wellenzapfen verbunden sind. Vorteilhaft besitzt das Antriebszahnrad im Bereich seiner Anlageflächen einen Zentrierbund, welcher sich in eine Paßbohrung im Hohlraum der Wellenzapfen erstreckt. Von besonderem Vorteil ist, daß der Zentrierbund des Antriebszahnrades im Bereich der Anlageflächen mit radial angeordneten Entlüftungsbohrungen versehen ist. Ein weiterer Vorteil ist, daß das Antriebszahnrad in einem an die Anlageflächen angrenzenden Bereich mit ringförmigen Entlastungsrillen versehen ist. Vorzüglich erfolgt die Verbindung der Anlageflächen des Antriebszahnrades mit den Stirnflächen der Wellenzapfen durch eine in der Ebene der Stoßfuge angeordnete Ringscheibe.The object is achieved according to the invention in that those in the plane of one or more shaft journals perpendicular split crankshaft at the butt joints of adjacent shaft journals has annular end faces that oppose each other directed to form a ventable cavity connected to each other by electron beam welding are. The end faces of the shaft journals are advantageously connected by means of an adhesive connection serving intermediate layer. The intermediate layer is preferably formed by a film that is in the plane the butt joint of the shaft journal is arranged. It is particularly advantageous that the one extending between the shaft journals The cavity is provided with ventilation bores extending axially to the axis of rotation. When provided with a drive gear The advantage of the crankshaft is that the drive gear is provided with annular contact surfaces that extend over protrude the tooth width and are firmly connected to the annular end faces of the shaft journals. Has advantageous the drive gear has a centering collar in the area of its contact surfaces, which is located in a fitting bore in the cavity the shaft journal extends. It is particularly advantageous that the centering collar of the drive gear is in the area of the Contact surfaces is provided with radially arranged ventilation holes. Another advantage is that the drive gear is in an area adjoining the contact surfaces is provided with annular relief grooves. The connection of the contact surfaces of the drive gear is excellent with the end faces of the shaft journals through an annular disk arranged in the plane of the butt joint.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Bildung des Hohlraumes in den Wellenzapfen der Kurbelwelle eine Verbindung durch Elektronenstrahlschweißen wesentlich dadurch erleichtert wird, daß die beim Schweißen auftretenden Spannungen und die während dem Erkalten des Materials erzeugten Schrumpfkräfte möglichstThe advantages achieved by the invention are in particular that by the formation of the cavity in the Shaft journal of the crankshaft a connection by electron beam welding is made much easier in that the Stresses occurring during welding and the shrinkage forces generated when the material cools down, if possible
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klein gehalten werden. Die in der Stoßfuge vorgesehene Zwischenschicht ermöglicht bei kohlenstoffreichen Werkstoffen eine sichere Schweißverbindung, wodurch außerdem ein weiteres Aushärten der Schweißnaht vermieden wird. Durch die Ausbildung der Zwischenschicht als Folie kann diese je nach Werkstoffwahl der zu verschweißenden Teile von unterschiedlicher Dicke hergestellt werden. Desweiteren wird durch die Folie ein einfaches Auflegen auf die zu verschweißenden Werkstücke erzielt. Die in den Hohlraum eingebrachten Entlüftungsbohrungen erleichtern die Schweißverbindung mit dem Elektronenstrahlschweißverfahren ganz wesentlich, da durch die Entlüftungsbohrungen die Luft abströmt, und der Hohlraum unter Vakuum gehalten wird. Dadurch wird auch eine sichere Verbindung der Schweißnaht erhalten.can be kept small. The intermediate layer provided in the butt joint enables carbon-rich materials a secure weld connection, which also prevents further hardening of the weld seam. By designing the intermediate layer as a film, it can be used depending on the choice of material for the parts to be welded can be made of different thicknesses. Furthermore, the film makes it easy to place on the to be welded Workpieces achieved. The ventilation holes made in the cavity facilitate the welded connection with the electron beam welding process, because the air is drawn through the ventilation holes flows off, and the cavity is kept under vacuum. This also ensures a secure connection of the weld seam obtain.
Bei Schweißverbindungen von Wellenzapfen mit einem Antriebszahnrad wird durch die gewählten Vorkehrungen der Schweißvorgang d.h. die Elektronenstrahlführung zur Schweißstelle wesentlich erleichtert. Außerdem wird ein Teil der Werkstoff-Spannungen über die vorgesehenen Anlageflächen ausgeglichen«, Durch die Ausführung des AntriebsZahnrades mit einem Zentrierbund wird zugleich, wie dies bei Elektronenstrahlschweißen gefordert wird, eine satte Anlage und genaue Zentrierung der zu verschweißenden Werkstücke erreicht. Durch die radial angeordneten Entlüftungsbohrungen in dem Zentrierbund wird die Schweißnaht auch von der Innenseite des Hohlraumes der Kurbelzapfen aus, sicher unter Vakuum gehalten, sodaß eine optimale Schweißverbindung über die gesamte Schweißfläche erzielt wird. Dadurch, daß in das Antriebszahnrad ringförmige Entlastungsrillen eingebracht sind, werden außerdem axiale Spannungen während des Erkaltens der Schweißzone weitgehend vermieden. Ist das Antriebszahnrad aus einem anderen Werkstoff wie die Kurbelwelle gefertigt, so erfolgt zweckmäßig die Elektronenstrahlschweißung unter Vermittlung einer in die Stoßfuge eingelegten Ringscheibe. Die Ringscheibe dient einerseits : :When welding shaft journals with a drive gear the welding process, i.e. the electron beam guidance to the welding point, is achieved through the selected precautions much easier. In addition, part of the material stresses balanced over the intended contact surfaces «, by designing the drive gear with a centering collar is at the same time, as is required for electron beam welding, a full system and precise centering of the Reached workpieces to be welded. Through the radially arranged ventilation holes in the centering collar, the Weld seam also from the inside of the cavity of the crank pin, held securely under vacuum, so that an optimal Welded connection is achieved over the entire welding surface. Because annular relief grooves are made in the drive gear, axial stresses are also created largely avoided during the cooling of the welding zone. Is the drive gear made of a different material than the When the crankshaft is manufactured, electron beam welding is expediently carried out with the aid of an inserted into the butt joint Washer. The washer serves on the one hand:
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O 41 If 5^O 41 If 5 ^
metallurgisch exakten Schweißverbindung und anderseits als elastische Zone zur Aufnahme von eventuell auftretenden Schweißspannungen.metallurgically exact welded connection and on the other hand as an elastic zone to accommodate any occurring Welding stresses.
In der Zeichnung, welche zwei beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung zeigen, sind:In the drawing, which show two exemplary embodiments of the invention, are:
Fig. 1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Wellenzapfenverbindung von Kurbelwellen für eine Brennkraftmaschine, teilweise im Schnitt, wobei unterhalb der Drehachse X-X die Wellenzapfenverbindung mit einer Zwischenschicht dargestellt ist, und1 shows a side view of the journal connection of crankshafts according to the invention for an internal combustion engine, partly in section, below the axis of rotation X-X the journal connection with an intermediate layer is shown, and
Fig. 2 eine Seitenansicht der Wellenzapfenverbindung für eine Kurbelwelle mit einem Antriebszahnrad gemäß der Erfindung, wobei unterhalb der Drehachse X1-X1 die Wellenzapfenverbindung unter Vermittlung einer Ringscheibe dargestellt ist.2 shows a side view of the shaft journal connection for a crankshaft with a drive gear according to the invention, the shaft journal connection being shown below the axis of rotation X 1 -X 1 through an annular disk.
Die Kurbelwelle 1, für eine im einzelnen nicht dargestellte Brennkraftmaschine, besteht aus mehreren Kurbelteilen 2, 21, die unmittelbar miteinander durch Elektronenstrahlschweißen verbunden sind. Zu diesem Zweck sind die Kurbelteile 2, 21 mit Wellenzapfen 3, J·1 versehen, die in der Drehachse X-X der "Wellenzapfen 31 ~5* Ausnehmungen 4, 41 besitzen, wodurch die Stirnflächen 5i 51 der Wellenzapfen"J>, 3f einen ringförmigen Querschnitt erhalten. Die Stirnflächen 5> 51 sind unter Bildung eines Hohlraumes 6 gegeneinander gestellt. Parallel zur Drehachse X-X ist der Hohlraum 6 über Entlüftungsbohrungen 7 mit der Atomsphäre einer Schweißkammer verbunden. Die Entlüftungsbohrungen 7 durchsetzen die Kurbelwangen 8, 81 der Kurbelteile 2, 21 und können durch Stopfen 9 verschlossen'werden.The crankshaft 1, for an internal combustion engine, not shown in detail, consists of several crank parts 2, 2 1 , which are directly connected to one another by electron beam welding. For this purpose, the crank parts 2, 2 1 are provided with shaft journals 3, J · 1 , which have recesses 4, 4 1 in the axis of rotation XX of the "shaft journals 3 1 ~ 5 * , whereby the end faces 5i 5 1 of the shaft journals"J> , 3 f obtained an annular cross-section. The end faces 5> 5 1 are set against one another to form a cavity 6. Parallel to the axis of rotation XX, the cavity 6 is connected to the atmosphere of a welding chamber via ventilation bores 7. The ventilation bores 7 penetrate the crank webs 8, 8 1 of the crank parts 2, 2 1 and can be closed by plugs 9.
Eine mittelbare Schweißverbindung von Kurbelteilen 2, 21 ist in der Fig. 1 unterhalb der Drehachse X-X dargestellt. Zur Haftverbindung ist im Bereich der Stoßfuge 10 zwischenAn indirect weld connection of crank parts 2, 2 1 is shown in FIG. 1 below the axis of rotation XX. For the adhesive connection is in the area of the butt joint 10 between
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ringförmigen Stirnflächen 11, II1 der Wellenzapfen 12, 121 eine Zwischenschicht IJ in Form einer Schweißfolie 14 vorgesehen. annular end faces 11, II 1 of the shaft journals 12, 12 1 an intermediate layer IJ in the form of a welding foil 14 is provided.
Bei Kurbelwellenverbindungen nach der Fig. 2 oberhalb der Drehachse X1- X1 ist zwischen ringförmigen Stirnflächen 15, 15' ein Antriebszahnrad 16 eingesetzt. Das Antriebszahnrad 16 besitzt in der Drehachse XVX1 der Wellenzapfen 17, 17* eine Bohrung 18 und ist mit einem Zentrierbund 19 versehen, in eine Paßbohrung 20 der Wellenzapfen 17, 17f eingesetzt und zentriert. Die Paßbohrung 20 erstreckt sich von den ringförmigen Stirnflächen 15, 15* der Wellenzapfen 17, 17f in den für beide Kurbelteile 21, 21* gemeinsamen Hohlraum 22. Das Antriebszahnrad 16 besitzt Anlageflächen 23, 23f, die an den Stirnflächen 15, 15* der Wellenzapfen 17* 17f zur Anlage kommen. Die Anlageflächen 2J, 23' stehen über"die Zahnbreite B des Antriebszahnrades 16 hervor. Im Bereich der Anlageflächen 23, 23' ist das Antriebszahnrad 16 mit konzentrisch zur Drehachse Xf-X' verlaufenden ringförmigen Entlastungsrinnen 24 versehen. Senkrecht zu den Anlageflächen 23, 23f sind Entlüftungsbohrungen 25 in den Zentrierbund 19 eingebrächt. Bei Wellenzapfen 26, 26f mit hohem C-Gehalt oder bei unterschiedlicher Werkstoffpaarung von Antriebszahnrad 16 und der Wellenzapfen 26, 26' empfiehlt es sich zur Schweißverbindung zwischen den benachbarten Flächen 1511* 23 / 15" %, 23! eine Ringscheibe 27 in der Ebene der Stoßfuge 28 einzulegen, wie dies auf der Zeichnung der Fig. 2 unterhalb der Drehachse X'-X1 dargestellt ist.In the case of crankshaft connections according to FIG. 2 above the axis of rotation X 1 - X 1 , a drive gear 16 is inserted between annular end faces 15, 15 '. The drive gear 16 has a bore 18 in the axis of rotation XVX 1 of the shaft journals 17, 17 * and is provided with a centering collar 19, inserted into a fitting bore 20 of the shaft journals 17, 17 f and centered. The fitting bore 20 extends from the annular end faces 15, 15 * of the shaft journals 17, 17 f into the cavity 22 common to both crank parts 21, 21 *. The drive gear 16 has contact surfaces 23, 23 f , which are attached to the end faces 15, 15 * the shaft journal 17 * 17 f come to rest. The contact surfaces 2J, 23 'protrude beyond the tooth width B of the drive gear 16. In the area of the contact surfaces 23, 23', the drive gear 16 is provided with annular relief grooves 24 running concentrically to the axis of rotation X f -X '. 23 f , ventilation bores 25 are cut into the centering collar 19. In the case of shaft journals 26, 26 f with a high carbon content or with different material pairing of the drive gear 16 and the shaft journals 26, 26 'it is recommended to weld the adjacent surfaces 15 11 * 23 / 15 " % , 23 ! insert an annular disk 27 in the plane of the butt joint 28, as shown in the drawing in FIG. 2 below the axis of rotation X'-X 1 .
Zum Verbinden der Kurbelteile 2, 2* miteinander und der Kurbelteile 21, 21* an dem Antriebszahnrad 16 durch das Elektronenstrahlschweißverfahren, werden die Stirnflächen 5, 5! in einer zugleich der Zentrierung dienenden Vorrichtung, sowie die Flächen 15* 23 und 15 x » 23' unter vorbestimmtem Anlagedruck gegeneinander gehalten* Die Verschweißung erfolgt in einer nicht dargestellten Schweißkammer des Elektronen-To connect the crank parts 2, 2 * to one another and the crank parts 21, 21 * to the drive gear 16 by the electron beam welding process, the end faces 5, 5 ! in a device that is also used for centering, as well as the surfaces 15 * 23 and 15 x » 23 'held against one another under a predetermined contact pressure * The welding takes place in a welding chamber, not shown, of the electron
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O 41 £O 41 pounds
strahlschweißgerätes unter einem Vakuum der Größenordnung 1O mm Hg. Durch die Entlüftungsbohrungen 7, 25 herrscht an jeder Stelle der Stoßfugen 10, 28 das geforderte Vakuum, wodurch eine einwandfreie Schweißverbindung ermöglicht wird. Die Entlüftungsbohrungen 7 werden nach beendigtem Schweißvorgang durch Stopfen 9 verschlossen.beam welding apparatus under a vacuum of the order of 1 mm Hg O. Through the ventilation holes 7, 25 prevailing at any point of the joints 10, 28 the required vacuum, thereby enabling a satisfactory welded joint. The ventilation bores 7 are closed by plugs 9 after the welding process has ended.
Da das Schweißverfahren im Vakuum durchgeführt wird, eignet sich das Elektronenstrahlschweißen vorteilhaft zur Verbindung von hitzebeständigen Metallen, wie z.B. Wolfram, Niob, Molybdän und Tantal und der leicht oxydierenden Metalle wie Beryllium, Titan und Zirkon, sowie von in Vakuum geschmolzenen Legierungen. Bestehen die Wellenzapfen 12, 121, 26, 26' aus einem Werkstoff mit hohem C-Gehalt, so wird um die Schweißverbindung trotzdem zu ermöglichen für die Zwischenschicht 13 bzw. die Ringscheibe 27 als Werkstoff eine weitgehend reine Nickel- oder Vanadiumlegierung gewählt. Beim Verschweißen der Stoßfugen 10, 28 verhindert die Zwischenschicht 13 bzw. die Ringscheibe 27 die Martensitbildung der zu verschweißenden Wellenzapfen 12, 12*, 26, 261, d.h. die Zwischenschicht 13 bzw. die Ringscheibe"27 legiert die anliegenden Flächen 11, II1, 15t!> 23 und 15llf, 23! zur besseren Zusammensetzung während des'Schweißvorgänges, wodurch spätere Härterisse vermieden werden. Die Zwischenschicht 13 und die Ringscheibe 27 bilden gleichfalls eine elastische Zone und vermeiden dadurch eine Härtebildung im Schweißbereich. Durch die ringförmigen Entlastungsrinnen des AntriebsZahnrades 16 werden Werkstoffspannungen, die während und nach dem Schweißvorgang auftreten weitgehend vermieden.Since the welding process is carried out in a vacuum, electron beam welding is particularly suitable for joining heat-resistant metals such as tungsten, niobium, molybdenum and tantalum and easily oxidizing metals such as beryllium, titanium and zirconium, as well as alloys melted in a vacuum. If the shaft journals 12, 12 1 , 26, 26 'are made of a material with a high carbon content, a largely pure nickel or vanadium alloy is selected as the material for the intermediate layer 13 or the washer 27 in order to still enable the welded connection. When welding the butt joints 10, 28, the intermediate layer 13 or the ring washer 27 prevents the martensite formation of the shaft journals 12, 12 *, 26, 26 1 to be welded, ie the intermediate layer 13 or the ring washer "27 alloyed the adjacent surfaces 11, II 1 , 15 t! > 23 and 15 llf , 23 ! For better composition during the welding process, thereby avoiding subsequent hardening cracks. The intermediate layer 13 and the annular disk 27 also form an elastic zone and thus avoid the build-up of hardness in the weld area of the drive gear 16, material stresses that occur during and after the welding process are largely avoided.
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