DE19536349C1 - Zusammengesetzte Kurbelwelle - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer zusammengesetzten Kurbelwelle nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche 1 und 5.

Aus der gattungsgemäßen DE-AS-20 23 364 ist eine geschweißte Kurbelwelle bekannt, deren Einzelelemente jeweils aus einer Kurbelwange bestehen, die beiderseitig angeformte rohrförmige Abschnitte aufweist. Diese rohrförmigen Abschnitte der Einzelelemente sind unter Verwendung eines kurzen, zylindrischen Zwischenelementes miteinander verbunden. Diese Zwischenelemente weisen an beiden Stirnseiten einen kurzen zylindrischen Fortsatz geringeren Durchmessers auf, der jeweils in eine zylindrische Ausnehmung des angrenzenden, rohrförmigen Abschnittes ragt. Die Einzelelemente und die Zwischenelemente dieser geschweißten Kurbelwelle sind jeweils mit Kanälen für die Ölführung versehen, die miteinander in Verbindung stehen.

Aus der DE 37 44 886 C2 und der DE 38 37 292 C2 ist jeweils eine zusammengesetzte Kurbelwelle bekannt, deren Einzelelemente im Bereich der Kurbelzapfen durch Aufspreizen von innenliegenden, zusätzlichen Hülsenelementen miteinander verbunden sind.

Eine weitere zusammengesetzte Kurbelwelle ist beispielsweise in der DE 37 28 142 C2 beschrieben. Diese zusammengesetzte Kurbelwelle besteht aus einzelnen Kurbelwangen mit angeformten konischen Wellenstümpfen, die über rohrförmige Zapfenelemente mit einem Lötvorgang fest und unlösbar miteinander verbunden sind. Im Bereich der Lagerzapfen und Kurbelzapfen sind eingeschlossene Hohlräume vorgesehen, die über Ölkanäle im Bereich der Kurbelwangen miteinander verbunden sind. Darüberhinaus münden in die Hohlräume Ölbohrungen, die jeweils vom Außenumfang der Kurbelzapfen bzw. Lagerzapfen ausgehen und zur Schmierung der Lagerbereiche und deren Kühlung dienen. Innerhalb der Hohlräume, die aus Gründen der Gewichtsersparnis möglichst groß gewählt sind, stellt sich ein Ölvolumenstrom ein, der unter Umständen eine ausreichende Kühlung der Lagerbereiche nicht in allen Abschnitten ermöglicht, da aufgrund der Größe und Geometrie der Hohlräume und Kanäle Bereiche auftreten, in denen nur geringe Fördergeschwindigkeiten vorherrschen.

Aus der US 4,534,241 ist weiterhin eine zusammengesetzte Kurbelwelle bekannt, die ebenfalls mit Hohlräumen in den Kurbel- und Lagerzapfen versehen ist. In diesen sind vom Außenumfang ausgehende Ölbohrungen vorgesehen, die zur Schmierung der Lagerbereiche dienen. Diese Ölbohrungen sind im Inneren der Kurbelwelle über Kanäle miteinander verbunden, die durch eingesetzte Rohrleitungen ausgebildet sind. Durch diese Rohrleitungen ist ein gerichteter Ölstrom mit minimalem Ölvolumen möglich, der zu einer ausreichenden Schmierung der Lagerbereiche dient. Die Hohlräume im Bereich der Kurbelzapfen und Lagerzapfen selbst werden nicht mit Öl gefüllt. Eine ausreichende Kühlung der Lagerbereiche ist mit einer derartigen Ölführung nicht immer möglich. Darüberhinaus ist die Ölführung über eingelegte Rohrleitungen sehr aufwendig zu fertigen und verursacht hohe Kosten bei der Herstellung.

Es ist demgegenüber die Aufgabe der Erfindung, die Ölführung bei zusammengesetzten Kurbelwellen so zu verbessern, daß ein gerichteter Ölvolumenstrom möglich ist und eine möglichst hohe Wärmeabfuhr im Bereich der Lager- und Kurbelzapfen möglich ist. Dabei soll die zusammengesetzte Kurbelwelle ein möglichst geringes Gewicht haben und einfach und mit geringen Kosten herstellbar sein. Insbesondere sollen aufwendige Fertigungsschritte bei der Herstellung vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 5 gelöst.

Durch den Einsatz von Formkörpern, die in die Hohlräume in den Kurbel- und Lagerzapfen der zusammengesetzten Kurbelwelle eingelegt werden, läßt sich das für die Ölförderung genutzte Volumen erheblich reduzieren. Durch geeignete Formgebung und Anordnung der Formkörper innerhalb dieser Hohlräume ist darüberhinaus ein definierter und gerichteter Ölvolumenstrom möglich, wobei insbesondere im Bereich der Wandungen ausreichende Volumenströme bzw. Strömungsgeschwindigkeiten sichergestellt werden, so daß eine Wärmeabfuhr von den belasteten Lagerbereichen möglich ist. Diese Formkörper werden beim Herstellen der Kurbelwelle in die vor dem Verbinden offenen Kurbel- bzw. Lagerzapfen eingelegt werden und nach dem Verbinden der Einzelelemente (z. B. deren Verschweißen) eingeschlossen. Durch geeignet festgelegte Abmessungen der Formkörper bzw. der Hohlräume im Rohzustand läßt sich nach dem Verbinden der Einzelelemente eine definierte und feste Einbaulage der Formkörper sicherstellen.

Eine sichere und feste Einbaulage der Formkörper innerhalb der Hohlräume und ein hoher Volumenstrom des für die Kühlung der Lagerbereiche dienenden Öls, insbesondere im Bereich der Wände der jeweiligen Zapfen läßt sich auf besonders vorteilhafte Weise dadurch erreichen, daß die Formkörper über Distanzelemente mit Abstand zu den Wänden der Hohlräume positioniert sind. Damit ergibt sich ein gerichteter Ölvolumenstrom, der um die Formkörper herum an den Wänden der Kurbel- bzw. Lagerzapfen vorbeistreicht.

Diese Distanzelemente können auf vorteilhafte Weise mit den Formkörpern verbunden sein. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Distanzelemente an die Formkörper angeformt sind. Die Handhabung beim Herstellen der Kurbelwelle wird damit erheblich vereinfacht, da jeweils nur ein Bauelement in die Hohlräume eingelegt werden muß.

Eine besonders einfache und günstige Positionierung der Formkörper innerhalb der Hohlräume ergibt sich, wenn die Verbindung der Einzelelemente der Kurbelwelle über Reibschweißungen im Bereich der Lager- bzw. Kurbelzapfen erfolgt und die in die Hohlräume ragenden Schweißnahtränder als Distanzelemente dienen. Diese in die Hohlräume ragenden Schweißnahtränder liegen in der Regel als Ringwulst vor, so daß eine umlaufende Führung der Formkörper möglich ist. Die Ölführung kann dabei durch geeignete Formgebung der eingesetzten Formkörper an dieser umlaufenden Ringwulst vorbei erfolgen.

Werden die Hohlräume im Bereich der Lager- und Kurbelzapfen zumindest teilweise als Ringräume ausgebildet, kann auch damit das innerhalb der Kurbelwelle geführte Ölvolumen reduziert werden. Gleichzeitig ist durch geeignete Größenbemessung und Positionierung dieser Ringräume ein gerichteter und relativ hoher Ölvolumenstrom im Bereich der Außenumfänge der Kurbel- bzw. Lagerzapfen möglich, so daß auch hier eine gute und hohe Wärmeabfuhr von den thermisch belasteten Lagerbereichen möglich ist. Eine derartige Ölführung im Bereich der Kurbelwelle hat den Vorteil, daß die Zahl der Bauelemente reduziert und der Zusammenbau der Einzelelemente erleichtert ist.

Eine besonders wirkungsvolle Ölführung bei gleichzeitig erheblich erleichteter Kurbelwelle ist möglich, wenn die für die Ölführung erforderlichen Ringräume im Außenbereich der jeweiligen Zapfen angeordnet sind und einen zentralen Hohlraum im Kurbel- und/oder Lagerzapfen umgeben.

Die Verbindung der Einzelelemente der Kurbelwelle ist besonders einfach herzustellen, wenn die Verbindungsstellen als ringförmige Schweißnähte an jeweils zwei konzentrischen Rohrabschnitten ausgebildet sind, zwischen denen der jeweilige Teil des Ringraumes in Form einer Ringnut vorliegt. Insbesondere bei großen Zapfendurchmessern können dabei die Schweißnähte bzw. die stirnseitigen Enden der zu verbindenden Zapfenbereiche in einer Ebene liegen, da damit die Vorbearbeitung der zu verbindenden Zapfenteile sehr einfach ist. Es ist auch möglich, die ringförmigen Schweißnähte je Zapfen in verschiedenen Ebenen anzuordnen, da damit insbesondere bei geringeren Durchmessern ein ausreichender Querschnitt im Bereich der ölführenden Ringräume verbleibt.

Die Verbindung der Einzelelemente der Kurbelwelle kann dabei auf besonders einfache und fertigungstechnisch sichere Weise durch Reibschweißen erfolgen. Das hat den Vorteil, daß damit eine Großserienfertigung möglich ist. Darüberhinaus ergibt sich durch die Verbindung mittels Reibschweißen eine dauerhafte und feste Verbindung, die mit hoher Prozeßsicherheit erstellt werden kann. Durch das Reibschweißen wird insbesondere gegenüber anderen Schweißverfahren das Auftreten von Verunreinigungen innerhalb der Hohlräume erheblich reduziert, so daß aufwendige Nachbearbeitungsschritte entfallen bzw. Verunreinigungen des eingespeisten Öls im Betrieb vermieden werden.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung. Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert. Letztere zeigt in

Fig. 1 einen nur teilweise dargestellten, vereinfachten Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der zusammengesetzten Kurbelwelle und

Fig. 2 einen vereinfachten, nur teilweise dargestellten Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der zusammengesetzten Kurbelwelle.

Die in Fig. 1 dargestellte Kurbelwelle 1 besteht aus einer Vielzahl von Einzelelementen 2, die fest und unlösbar miteinander verbunden sind. Die Einzelelemente 2 bestehen jeweils aus einer Kurbelwange 3, an die rohrförmige Abschnitte 4, 5 angesetzt sind, die an den gegenüberliegenden Seiten der Kurbelwange angeordnet und zum einen Teil der Lagerzapfen 6 und zum anderen jeweils Teil des Kurbelzapfens 7 sind. Diese Einzelelemente 2 können insbesondere als Schmiedeteile ausgebildet sein, wobei durch entsprechende Formgebung bzw. Größenbemessung der rohrförmigen Abschnitte die Verwendung von Gleichteilen möglich ist, so daß die gesamte Kurbelwelle bis auf ihre Endabschnitte aus gleichen Teilen zusammengesetzt ist. Die jeweiligen Einzelelemente 2 sind über einen an sich bekannten Reibschweißvorgang miteinander verbunden, bei dem die jeweiligen stirnseitigen Enden der rohrförmigen Abschnitte 4, 5 miteinander verbunden werden. Dabei wird ein Einzelelement 2 fest eingespannt, während das andere durch Verdrehen und gleichzeitiges Anpressen in bekannter Weise mit diesem verschweißt wird. Die miteinander verbundenen rohrförmigen Abschnitte 4, 5 schließen dabei im Bereich der Lagerzapfen 6 bzw. Kurbelzapfen 7 einen Hohlraum 8 und 9 ein. Diese Hohlräume sind über Ölkanäle 10 im Bereich der Kurbelwangen 3 miteinander verbunden. Die Ölkanäle 10 können bereits vor dem Verschweißen in die vorgefertigten Einzelelemente 2 eingebracht werden. Nachträglich zu bohrende Kanäle und/oder Verschlußstopfen sind nicht erforderlich. Die Hohlräume 8, 9 und die Ölkanäle 10 dienen auf an sich bekannte Weise zur Ölversorgung der Brennkraftmaschine bzw. der Kurbelwelle, insbesondere der Lagerschmierung. Dazu münden in die Hohlräume 8 und 9 Ölbohrungen 11, die vom jeweiligen Außenumfang der Lagerzapfen 6 und Kurbelzapfen 7 ausgehen.

Um das in den Hohlräumen 8 und 9 und damit innerhalb der gesamten Kurbelwelle 1 befindliche Öl zu verringern und gleichzeitig einen gerichteten und insbesondere im Bereich der Wände vorherrschenden Ölstrom sicherzustellen, sind in die Hohlräume 8 und 9 Formkörper 12 eingelegt. Diese sind insbesondere als zylinder- bzw. tonnenförmige Hohlkörper ausgebildet und aus öl- und temperaturbeständigem Material gefertigt. Die Formkörper 12 sind an zwei in Achsrichtung der Kurbelwelle gegenüberliegenden Stirnseiten mit angeformten Distanzelementen 13 versehen, die im zusammengefügten Zustand der Kurbelwelle an den jeweiligen Wänden der Hohlräume 8, 9 anliegen. Die Einzelelemente 2 der Kurbelwelle 1 sind - wie bereits angeführt - durch Reibschweißen miteinander verbunden. Dabei bilden sich umlaufende Schweißnähte 14, die in das Innere der Hohlräume 8, 9 ragen. Durch diese umlaufenden Schweißnähte 14 erfolgt ebenfalls eine Zentrierung bzw. Positionierung der Formkörper 12, so daß sich zwischen diesen und der Wandung des jeweiligen Zapfens 6, 7 ein Ringraum 15 ausbildet, der der Ölführung innerhalb der Kurbelwelle 1 dient.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind (bis auf die endseitigen Elemente) die Einzelelemente so aufgebaut, daß an jede Kurbelwange 3 an beiden Stirnseiten jeweils zwei konzentrische rohrförmige Abschnitte 16,17 und 18,19 angeformt sind. Diese rohrförmigen Abschnitte bilden zusammen mit den entsprechenden rohrförmigen Abschnitten des angrenzenden Einzelelementes 2 jeweils einen Kurbelzapfen 7 und Lagerzapfen 6. Die Einzelelemente 2 werden - wie beim Ausführungsbeispiel zuvor - über Reibschweißen miteinander verbunden. Dabei erfolgt jeweils im Bereich der Kurbelzapfen und Lagerzapfen eine Doppelschweißung an den Stirnseiten der beiden rohrförmigen Abschnitte 16, 17 und 18, 19. Die miteinander verbundenen rohrförmigen Abschnitte 16, 17 und 18, 19 schließen im zusammengesetzten Zustand jeweils einen umlaufenden Ringraum 20, 21 ein, die über Ölkanäle 10 im Bereich der Kurbelwangen 3 miteinander verbunden sind. Diese Ringräume 20, 21 umfassen einen zentralen Hohlraum 22, 23 im jeweiligen Zapfen, der durch die miteinander verbundenen rohrförmigen Abschnitte 16, 17 und 18, 19 gebildet ist. Diese Hohlräume 22, 23 sind abgeschlossen und nicht mit dem Ölkreislauf verbunden. Die Ringräume 20, 21 sind mit Ölbohrungen 11 verbunden, die - wie im Ausführungsbeispiel zuvor - vom Außenumfang der jeweiligen Zapfen ausgehen und der Schmierung der Lagerbereiche dienen.

Die Reibschweißung der einzelnen Abschnitte kann dabei - wie in der linken Bildhälfte dargestellt - so ausgebildet sein, daß die Stirnseiten der rohrförmigen Abschnitte 16, 17 und 18, 19 eines jeweiligen Zapfens in unterschiedlichen Ebenen liegen. Damit ergeben sich in axialer Richtung versetzte, umlaufende Schweißnähte 14, so daß auch bei kleinem Zapfendurchmesser ein ausreichender freier Querschnitt im Inneren des Ringraumes 20, 21 verbleibt. Es ist jedoch auch möglich - wie in der rechten Bildhälfte dargestellt - die beiden Schweißnähte bzw. die Stirnseite der zusammengefügten rohrförmigen Abschnitte in einer Ebene anzuordnen, da damit die Vorbearbeitung der miteinander zu verschweißenden Stirnseiten vereinfacht wird.

Insbesondere durch die Ausbildung der Kurbelwelle gemäß Fig. 2 läßt sich die Wandstärke im Außenbereich relativ gering halten, da durch die Doppelwandung aus den konzentrischen rohrförmigen Abschnitten ein für die Festigkeit ausreichender Querschnitt sichergestellt ist. Durch die nach außen gegenüber der Einfachschweißung (analog zu Fig. 1) relativ geringe Wandstärke wird aber die Wärmeabfuhr von den belasteten Lagerbereichen verbessert.

Es ist ohne weiteres möglich, insbesondere bei unterschiedlichen Durchmessern der Kurbel- und Lagerzapfen, die Verbindungsarten der Fig. 1 und 2 miteinander innerhalb einer Kurbelwelle zu kombinieren. Im Bereich der größeren Durchmesser (in der Regel beim Lagerzapfen) sind dann zwei konzentrische rohrförmige Abschnitte miteinander verbunden, die einen Ringraum einschließen. Im Bereich der kleineren Durchmesser (in der Regel beim Kurbelzapfen) wird dann eine Einfachschweißung vorgenommen und ein entsprechenden Formkörper in den Hohlraum eingesetzt. Die Ringräume und die mit Formkörpern versehenen Hohlräume werden analog zu den vorherigen Ausführungsbeispielen über Ölkanäle miteinander verbunden.

Claims (9)

1. Geschweißte Kurbelwelle, deren Einzelelemente (2) jeweils aus einer Kurbelwange (3) mit beiderseitig angeformten rohrförmigen Abschnitten (4, 5; 16 bis 19) bestehen und im Bereich der Lagerzapfen (6) und Kurbelzapfen (7) miteinander verbunden sind, mit Hohlräumen (8, 9; 20, 21) in den Lager- und Kurbelzapfen, die über Ölkanäle (10) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmigen Abschnitte der Einzelelemente (2) direkt unter Bildung der Hohlräume (8, 9) miteinander verbunden sind, und daß in zumindest einen Teil der Hohlräume (8, 9) Formkörper (12) eingesetzt sind.

2. Geschweißte Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper (12) über Distanzelemente (13) mit Abstand zu den Wänden der Hohlräume (8, 9) positioniert sind.

3. Geschweißte Kurbelwelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzelemente (13) zumindest teilweise mit den Formkörpern (12) verbunden sind.

4. Geschweißte Kurbelwelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente (2) durch Reibschweißen miteinander verbunden sind, und daß die in die Hohlräume (8, 9) ragenden Schweißnahtränder (14) als Distanzelemente (13) für die Formkörper (12) dienen.

5. Geschweißte Kurbelwelle, deren Einzelelemente (2) jeweils aus einer Kurbelwange (3) mit beiderseitig angeformten rohrförmigen Abschnitten (4, 5; 16 bis 19) bestehen und im Bereich der Lagerzapfen (6) und Kurbelzapfen (7) miteinander verbunden sind, mit Hohlräumen (8, 9; 20, 21) in den Lager- und Kurbelzapfen, die über Ölkanäle (10) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume zumindest teilweise als Ringräume (20, 21) ausgebildet sind.

6. Geschweißte Kurbelwelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die als Ringräume (20, 21) ausgebildeten Hohlräume einen zentralen Hohlraum (22, 23) im Lager- und/oder Kurbelzapfen umgeben.

7. Geschweißte Kurbelwelle nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstellen der Einzelelemente (2) als ringförmige Schweißnaht (14) ausgebildet sind und je Lager- bzw. Kurbelzapfen in einer Ebene liegen.

8. Geschweißte Kurbelwelle nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstellen der Einzelelemente (2) als ringförmige Schweißnaht (14) ausgebildet sind und je Lager- bzw. Kurbelzapfen in versetzten Ebenen liegen.

9. Geschweißte Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente (2) durch Reibschweißen miteinander verbunden sind.