DE202010012407U1

DE202010012407U1 - Kurbelarm

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Publication number: DE202010012407U1
Application number: DE201020012407
Authority: DE
Original assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2020-09-01

Abstract

Kurbelarm (1), welcher aus einem in einem einzigen Fertigungsschritt hergestellten Körper mit einem oder mehreren Hohlräumen (10) besteht, sowie mindestens einer ersten Öffnung (2) im Körper zur Befestigung an einer Kurbelachse und einer zweiten Öffnung (3) im Körper zur Befestigung eines weiteren Bauteiles, wobei mindestens ein Hohlraum (10) im Körper ganz oder teilweise mit einer Netzwerkstruktur (8) gefüllt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Maschinenbaus und betrifft einen Kurbelarm, beispielsweise für ein Fahrrad oder ein anderes muskelbetriebenes Fahrzeug oder für ein Getriebe oder einen Motor.
Fahrräder und andere per Muskelkraft angetriebene Fahrzeuge sollten möglichst leicht gebaut sein. Daher sollten auch alle Bauteile eines solchen Fahrzeuges oder Maschinenelementes möglichst leicht sein, ohne dass ihre jeweilige Funktion eingeschränkt ist. Es gibt zahlreiche Bestrebungen, Bauteile, und insbesondere den Kurbelarm, mit modernen Verfahren herzustellen, um das Gewicht zu reduzieren.
Stand der Technik
Gemäß der DE 696 04 460 T2 ist ein Kurbelarm für ein Fahrrad und ein Verfahren zur Herstellung bekannt. Danach enthält der Kurbelarm einen hohlen Abschnitt, bestehend aus einem Mittelabschnitt mit einer Längsnut und einem getrennten Deckel, der an dem Mittelabschnitt befestigt ist, um die Nut einzuschließen, mit jeweils an den Enden des hohlen Mittelabschnitts befindlichen massiven Enden zur Befestigung der Kurbelachse und des Pedals.
Hergestellt wird dieser Kurbelarm, indem das Deckelteil über der Längsnut positioniert und dann das Deckelteil angeschweißt wird. Damit wird ein leichter Kurbelarm hergestellt, der gleichzeitig die notwendige Festigkeit aufweist. Der hohle Bereich kann die Form eines Keiles haben, wobei die Nuttiefe zu den Enden der Nut hin ständig abnimmt.
Nachteile des Standes der Technik
Nachteilig an den Lösungen des Standes der Technik ist, dass die Bauteile in mechanisch nicht belasteten Bereichen immer noch zu viel Material aufweisen und sich zusätzlich kritische Bereiche im Hinblick auf die ausreichende Festigkeit ergeben. Jedes nachträgliche Zusammenfügen von Teilen bildet im späteren fertigen Bauteil eine Schwachstelle bezüglich der maximalen mechanischen Belastbarkeit. Dies kann nur durch eine Überdimensionierung dieser kritischen Bereiche korrigiert werden, was wiederum zu einer Erhöhung des Gewichtes des Kurbelarmes führt.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kurbelarm anzugeben, welcher, in einem einzigen Fertigungsschritt hergestellt, leicht ausgebildet ist und eine ausreichend hohe Festigkeit zur Erfüllung der jeweiligen Funktion aufweist.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Lösung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Kurbelarm besteht aus einem in einem einzigen Fertigungsschritt hergestellten Körper mit einem oder mehreren Hohlräumen, sowie mindestens einer ersten Öffnung im Körper zur Befestigung an einer Kurbelachse und einer zweiten Öffnung im Körper zur Befestigung eines weiteren Bauteiles, wobei mindestens ein Hohlraum im Körper ganz oder teilweise mit einer Netzwerkstruktur gefüllt ist.
Vorteilhafterweise ist die Wandstärke beanspruchungsgerecht ausgeführt.
Ebenfalls vorteilhafterweise ist die Wandstärke gleich dick.
Weiterhin vorteilhafterweise ist die Netzwerkstruktur eine Schaum- und/oder Stabwerksstruktur.
Und auch vorteilhafterweise ist die Netzwerksstruktur beanspruchungsgerecht ausgelegt.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Netzwerksstruktur einen Hohlraum füllt und durch eine Wandung von einem nichtgefüllten Hohlraum getrennt ist.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die Wandung als Doppelwandung in Form einer Sandwichstruktur ausgebildet ist.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn der Körper aus einer Aluminiumlegierung, Stählen, Titan und/oder einer Titanlegierung besteht.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn zu dem einen oder mehreren Hohlräumen eine Öffnung besteht.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es erstmals möglich, einen, in einem einzigen Fertigungsschritt hergestellten, Kurbelarm anzugeben, der sehr leicht ausgebildet ist und dabei eine zur Funktionserfüllung ausreichend hohe Festigkeit aufweist und in verschiedenen Gestaltungsformen appliziert werden kann.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kurbelarm, welcher aus einem Körper mit einem oder mehreren Hohlräumen besteht, sowie einer ersten Öffnung im Körper zur Befestigung an einer Kurbelachse und einer zweiten Öffnung im Körper zur Befestigung eines weiteren Bauteiles, wobei mindestens ein Hohlraum im Körper eine Netzwerkstruktur aufweist. Das weitere Bauteil kann dabei ein Pedal sein.
Der Grund für kritische Bereiche hinsichtlich der Festigkeit von Kurbelarmen nach dem Stand der Technik ist in der Konstruktion und in den Herstellungsverfahren von Kurbelarmen zu sehen, die meist aus mehreren Teilen zusammengefügt werden müssen, was beispielsweise durch Schweißen oder Verschrauben erfolgen kann.
Der erfindungsgemäße Kurbelarm ist dagegen in einem Fertigungsschritt mittels Laserstrahlschmelzen in einem Stück hergestellt. Dies hat den besonderen Vorteil, dass keine weiteren Bearbeitungsschritte, wie Bohren, Fräsen oder Schweißen, usw. durchgeführt werden müssen, die das Materialgefüge verändern und den Kurbelarm mechanisch schwächen.
Bei dem erfindungsgemäßen Kurbelarm sind im Inneren des Kurbelarmkörpers ein oder mehrere Hohlräume vorhanden, die nach außen über eine Öffnung verbunden sind. Durch diese Öffnung kann das überschüssige, nicht aufgeschmolzene Material, welches im Wesentlichen in Pulverform vorliegt, aus den Hohlräumen entfernt werden. Dieses überschüssige Pulver kann wiederverwendet werden.
Die Wandstärken, die sich durch die Integration eines oder mehrerer Hohlräume und Öffnungen ergeben, werden gleichmäßig ausgeführt, können aber auch in Abhängigkeit von den Spannungsverhältnissen unterschiedlich dick ausgeführt sein. Der Hohlraum oder die Hohlräume sind mit der Netzwerkstruktur ganz oder teilweise ausgefüllt und können als Schaum- und/oder Stabwerksstruktur ausgebildet sein, wodurch der Kurbelarm leichter und in seiner Festigkeit ausreichend ausgebildet ist. Die Netzwerkstruktur kann dabei regelmäßig und/oder beanspruchungsgerecht ausgebildet sein.
Die Netzwerksstruktur muss den oder die Hohlräume nicht vollständig ausfüllen, sondern kann auch innerhalb einer Doppelwandung ausgeführt sein, so dass sich die Abfolge Außenwandung, Netzwerksstruktur, Innenwandung, Hohlraum ergibt.
Der Kurbelarm kann vorteilhafterweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung, wie Aluminiumlegierung, Stähle, Titan und/oder Titanlegierung bestehen. Sowohl die Hülle des Kurbelarmes als auch die Netzwerksstruktur bestehen dabei aus dem gleichen Material.
Durch das Laserstrahlschmelzverfahren wird der erfindungsgemäße Kurbelarm in einem Fertigungsschritt hergestellt. Dabei können viele verschiedene Kurbelarmkonstruktionen und -formen hergestellt werden, die mit den bereits bekannten Fertigungsverfahren zur Herstellung von Kurbelarmen bisher nicht möglich sind.
Beim Laserstrahlschmelzen wird schichtweise metallisches Pulver auf eine Plattform aufgetragen. Nachfolgend belichtet ein Laserstrahl über ein Scanner- und Linsensystem partiell die Pulveroberfläche. An diesen Positionen wird das Pulver aufgeschmolzen und verbindet sich mit seitlich und vertikal benachbarten Schweißbahnen ( WO 98/24574 ). Dieser Vorgang wiederholt sich solange, bis der Kurbelarm in der gesamten Höhe aufgebaut ist.
Zur Ermittlung der notwendigen Laserfahrwege wird in einem Vorbereitungsschritt ein 3D-CAD-Datensatz des Kurbelarmes virtuell in die entsprechenden Schichten aufgeteilt.
Aufgrund dieses aufbauenden Verfahrens sind den Formen der Schnitte keine geometrischen Limitierungen gesetzt. Dadurch können komplexe Geometrien, wie z. B. komplizierte Freiformflächen, verwinkelte Hohlräume und Hinterschneidungen hergestellt werden.
Durch dieses Verfahren sind auch die Netzwerkstrukturen in den Hohlräumen des erfindungsgemäßen Kurbelarmes herstellbar. Dabei kann eine solche Netzwerkstruktur auch nur in einem Hohlraum angeordnet sein und/oder einen Hohlraum ganz oder teilweise ausfüllen.
Ausführungsbeispiel
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Dabei zeigen
1 eine perspektivische Schnittansicht einer Ausführungsform eines rechten, erfindungsgemäßen Kurbelarmes 1,
2 einen Schnitt der Draufsicht des in 1 abgebildeten Kurbelarmes 1,
3 einen weiteren Schnitt der Draufsicht des in 1 abgebildeten Kurbelarmes 1 im Bereich des Kurbelsternes 4,
4 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Kurbelarmes 1.
1 ist eine perspektivische Schnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen rechten Kurbelarmes 1. Bei dieser Ausführungsform besteht der rechte Kurbelarm 1 aus einer Aluminiumlegierung (AlSi12).
In dem Schnitt der Draufsicht (2) erkennt man an einem Ende eine Öffnung 2, die zur Aufnahme einer Pedale vorgesehen ist und am anderen Ende eine weitere Öffnung mit Vielfachverzahnung 3 zur Aufnahme einer Kurbelwelle.
Ferner ist aus 2 ein zum rechten Kurbelarm 1 zugehöriges und verbundenes Element in Form eines Kurbelsterns 4 zur Aufnahme von Kettenblättern zu entnehmen. Der Kurbelstern 4 weist vier kreisrunde Öffnungen 5 zur Aufnahme von Schrauben auf.
Die 3 zeigt eine weitere Schnittansicht der Draufsicht.
Wie in 2 ersichtlich, besteht der längliche, großvolumige Teil des Kurbelarmes 1 im Inneren aus einem Hohlraum 10 mit Öffnungen 6 nach außen und einer einfachen Wandung 7, in deren Hohlraum 10 eine regelmäßige Stabwerksstruktur 8 eingebracht ist. In kleinvolumigen Bereichen 9 des Kurbelarmes 1, wie in 3 ersichtlich, befinden sich Innenhohlräume (< 3 mm) 10, die untereinander verbunden sind und mit einer regelmäßigen Stabwerksstruktur 8 versehen sind. Sämtliche Wandungen 7 verlaufen parallel entsprechend der äußeren Form des rechten Kurbelarmes 1, sodass die Dicke der Wände 7 in dem gesamten Kurbelarm 1 gleich groß ist. Der verbleibende Bereich 11 an den Enden des Kurbelsterns 4 bildet das massive Volumen des rechten Kurbelarmes 1.
4 zeigt den beschriebenen Hohlraum 10, eine einfache Wandungen 7, die Stabwerksstrukturen 8 und eine Öffnung nach außen 6.
Die beschriebene Ausführungsform eines rechten Kurbelarmes 1 ist in einem Stück gefertigt.
Dazu wurde Pulver aus der Aluminiumlegierung (Pulverkorngröße 10–45 μm) in einer Schichtdicke von 50 μm, mit einem fokussiertem Laserstrahl belichtet. Der Kurbelarm (1) wird bis zu einer Höhe von 17 cm aufgebaut. Die Laserparameter sind P_L = 300 W (Laserleistung), v_S = 1400 mm/s (Geschwindigkeit), E_V = 45 J/mm³ (Volumenenergiedichte).
Bei einer verwirklichten Ausführungsform betrug die Länge des Kurbelarmes von Mittellinie zu Mittellinie der Öffnungen 2,3 L = 172 mm. Die Öffnung 2 wies einen Durchmesser von 12 mm auf.

1: Kurbelarm
2: Öffnung
3: Öffnung
4: Kurbelstern
5: Öffnungen
6: Öffnung
7: Wandungen
8: Netzwerksstruktur
9: Kleinvolumige Bereiche
10: Hohlräume
11: Massive Volumen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 69604460 T2 [0003]
- WO 98/24574 [0026]

Claims

Kurbelarm (1), welcher aus einem in einem einzigen Fertigungsschritt hergestellten Körper mit einem oder mehreren Hohlräumen (10) besteht, sowie mindestens einer ersten Öffnung (2) im Körper zur Befestigung an einer Kurbelachse und einer zweiten Öffnung (3) im Körper zur Befestigung eines weiteren Bauteiles, wobei mindestens ein Hohlraum (10) im Körper ganz oder teilweise mit einer Netzwerkstruktur (8) gefüllt ist.
Kurbelarm nach Anspruch 1, bei dem die Wandstärke (7) beanspruchungsgerecht ausgeführt ist.
Kurbelarm nach Anspruch 1, bei dem die Wandstärke (7) gleich dick ist.
Kurbelarm nach Anspruch 1, bei dem die Netzwerkstruktur (8) eine Schaum- und/oder Stabwerksstruktur ist.
Kurbelarm nach Anspruch 1, bei dem die Netzwerksstruktur (8) beanspruchungsgerecht ausgelegt ist.
Kurbelarm nach Anspruch 1, bei dem die Netzwerksstruktur (8) einen Hohlraum (10) füllt und durch eine Wandung (7) von einem nichtgefüllten Hohlraum (10) getrennt ist.
Kurbelarm nach Anspruch 6, bei dem Wandung (7) als Doppelwandung in Form einer Sandwichstruktur ausgebildet ist.
Kurbelarm nach Anspruch 1, bei der der Körper aus einer Aluminiumlegierung, Stählen, Titan und/oder einer Titanlegierung besteht.
Kurbelarm nach Anspruch 1, bei dem zu dem einen oder mehreren Hohlräumen (10) eine Öffnung (6) besteht.