DE2435476C3 - Kurbelwelle für eine mehrzylindrige, kurzhubige Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kurbelwelle für eine mehrzylindrige, kurzhubige Brennkraftmaschine, bei der sich Hub- und Kurbelzapfendurchmesser überschneiden und die Kurbelwange etwa von der Mitte des Kurbelzapfens mit zunehmendem Abstand von der Kurbelwellenmitte in der Dicke abnimmt und bei der in den Kurbelwangen im Bereich der Hubzapfen Entlastungsbohrungen vorgesehen sind, die zur Lagerzapfenachse geneigt sind.

Bei der Weilerentwicklung von bewährten Brennkraftmaschinen, die in Serien gefertigt werden, wird zur Leistungssteigerung in der Regel eine Erhöhung des Mitteldruckes oder eine Vergrößerung des Hubraumes durch Vergrößerung des Zylinderdurchmessers erreicht. Diese Maßnahmen erfordern meist keine einschneidenden Änderungen an den teuren Fertigungseinrichtungen, die zu Transferstraßen zusammengestellt sind. Die häufig vorgenommene Vergrößerung des Zylinderdurchmessers bedeutet zugleich eine Änderung des Hub-Bohrungsverhältnisses zum Kurzhuber hin und ergibt sehr kompakte Bauformen.

Bei der Erhöhung des Mitteldruckes oder Vergrößerung des Zylinderdurchmessers wird jedoch die Kurbelwelle wesentlich höher beansprucht, so daß deren Dauerfestigkeitsgrenze nicht mehr ausreicht Die bereits vorgegebenen Abmessungen, wie Zylinderabstand und Hubhöhe lassen keine großen Änderungen der Kurbelwelle zu, so daß Formänderungen nur auf bestimmte Bereiche beschränkt bleiben. Die genannten Maßnahmen zur Leistungssteigerung erfordern mitunter auch eine Vergrößerung der Lagerflächen, die jedoch durch die engen Zylinderabstände nur durch Vergrößerung des Lagerdurchmessers erreicht wird, so daß sich die Welten- und Hublagerdurchmesser immer mehr überschneiden, wobei die Kurbelwangen verhältnismäßig dünner werden. Dadurch ergibt sich zwar eine sehr formsteife Kurbelwelle, die aber sehr starke Querschnittsänderungen aufweist. An den Stellen der Querschnittsänderung treten hohe Spannungsspitzen auf. Übersteigt die Spannungskonzentration an diesen Stellen die Bauteilfestigkeit, so entsteht hier ein Anriß, der mit weiterer Beanspruchung zum »Dauerbruch« führt.

Zui Verringerung der Bruchgefahr könnten die Übergänge der Lagerstellen in den Wangen mit größeren Radien versehen werden, dieses bedeutet jedoch eine unzulässige Verkleinerung der Lagerfläche. Eine weitere Maßnahme, die Bruchgefahr herabzusetzen, ist die Härtung der Lagerflächen und deren Übergänge. Nachteilig ist hierbei, daß sich die Welle nicht mehr nachhaltig richten läßt; die gerichtete Welle springt erfahrungsgemäß bei belastetem Lauf wieder in den ursprünglichen ungerichteten Zustand zurück.

Bei Kurbelwellenbrüchen erweist sich der Bereich der Wange zwischen den Hubzapfen und dem Wellenzapfen fast immer als die schwächste Stelle. In diesem Bereich kommt es zu hohen Spannungskonzentrationen an der Oberfläche, die häufig die Dauerfestigkeit überschreiten und zum Bruch führen.

Es ist bekannt, die Kurbelzapfen zur Verringerung der umlaufenden Massen zu durchbohren. Dadurch ändert sich die Spannungsverteilung. Die Spannungsspitzen werden von der Mitie der Kröpfungsebene zu den Seiten verlagert. Günstige Spannungsverteilungen im gefährdeten Querschnitt ergehen sich durch eine tonnenförmige Hohlbohrung im Kurbelzapfen. Diese ist jedoch nur bei gegossenen Kurbelwellen wirtschaftlich herstellbar. Mechanisch hergestellte Hohlbohrungen bei Mehrzylinderkurbelwellen, insbesondere tür V-Maschinen, lassen wegen der behindernden Lage der einzelnen Wangen nui geringe Bohrungsdurchmesser bei exzentrischer Lage im Kurbelzapfen zu. Die exzentrische Lage und der kleine Durchmesser solcher Bohrungen ergeben wiederum ungünstige Spannungsverhältnisse (Maximalspannung : Nennspannung) und damit ungünstige Formziffern.

Es ist eine Kurbelwelle bekannt (DE-OS 21 57 916), bei der der Kurbelzapfen von den Wangenflächen aus durch je eine große Entlastungsbohrüng, die geneigt zur Zapfenmitte verläuft, hohlgebohrt ist. Beide Bohrungen treffen auf der halben Zapfenliinge unter einem stumpfen Winkel aufeinander. Elwa vom Auftretfpunkt der Enllastungsbohrungen gehen nach beiden Seiten in

der Kröpfungsebene je eine Ölbohrung aus, die den Kurbelzapfen mit den beiden benachbarten Wellenzapfen verbindet Die Verbindung zur Lagerfläche erfolgt durch Bohrungen quer zur Lagerachse. Die im Durchmesser gegenüber den Entlastungsbohrungen verhältnismäßig kleinen Ölbohrungen sind gegenüber den Entlastungsbohrungen nur sowtit geneigt, daß sie noch durch diese gebohrt werden können.

Es ist ferner bekannt (DD-PS 42 896), bei einer Kurbelwelle zum Abbau der Spannungskonzentration an den ÜDergängen der Lagerzapfen zu den Kurbelwangen eine besondere Form von Hinterdrehungen vorzusehen. Diese besondere Form besteht in sehr tiefen Ausrundungen der Übergänge der Zapfen in die Wange, wobei dia Ausrundungen auf einem Sektor von etwa 90° beschränkt bleiben und im Bereich der Zapfenüberschneidung angeordnet sind.

Die Herstellung solcher örtlich begrenzter Ausnehmungen ist durch ihre geometrische Form nur unter sehr hohem Aufwand möglich; die Höhe der Spannungsspitzen in der Wangensymmetrieachse wird kaum verändert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kurbelwelle so zu gestalten, daß die auftretenden Maximalspannungen aus Biegung und Torsion gegen- ;■-, über der rechnerischen Nennspannung möglichst niedrig sind, was gleichbedeutend ist mit niedrigen Formziffern, wobei das Produkt aus Nennspannung und Formziffer die Maximalspannung ergibt.

Dieses wird bei einer Kurbelwelle der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Entlastungabohrungen als Sackbohrungen mit ausgerundetem Übergang der Umfangsfläche zur flachen Bodenfläche ausgebildet sind, wobei dieser Übergang an der dem Wellenzapfen am nächsten liegenden Stelle annähernd in der Mitte zwischen Hub- und Wellenzapfen liegt und bei einem Durchmesserverhältnis von Hub- zu Wellenzapfen von etwa 0,8 der Durchmesser der Entlastungsbohrung dem 0,35- bis 0,55fachen des Wellenzapfendurchmessers entspricht, höchstens aber so groß ist, daß -to die Verschneidung der Entlastungsbohrung mit der äußeren Kontur der Wange mindestens einen Abstand von der Wellenachse von 0,6 des Wellenzapfendurchmessers hat und die Entlastungsbohrung einen Mindestabstand von der Hohlkehle des Hubzapfens zur Wange -r, von 12 mm hat.

Durch solche Entlastungsbohrungen, die in ihrer Lage, Form und Größe auf die Kurbelwelle eines neuzeitlichen Kurzhubmotors abgestimmt sind, ergibt sich zusammen mit einer breiten, elliptischen Wangenform eine sehr günstige Spannungsverteilung, bei der hohe Spannungsspitzen vermieden werden; zugleich wird aber auch durch diese Bohrungen teilweise die erwünschte Gewichtsverminderung des Kurbelzapfens erreicht.

Eine weitere, günstige Spannungsverteilung, und damit eine höhere Bauteil-Dauerfestigkeit, wird dadurch erreicht, daß sich beim Wellenzapfen die Härtezone ausschließlich über den zylindrischen Bereich erstreckt, während sie sich beim Hubzapfen über wi den zylindrischen Bereich und dessen Übergang bis in die Wange erstreckt. Hierdurch wird die Kurbelwelle besonders an den hochbeanspruchten Hohlkehlen des Kurbelzapfens indirekt verstärkt und so dem ohnehin stärkeren Wellenzapfen angepaßt, was wiederum zu 1,1 einer günstigen Spannungsverteilung führt. Ein weiterer Vorteil des an den Übergängen nicht gehärteten Wellenzapfens ergibt sich durch die Möglichkeit des nachträglichen Richtens der Kurbelwelle. Bei vollständig gehärteten Wellen- und Kurbelzapfen wird das Richten der Welle nach dem Härten sehr schwierig, denn erfahrungsgemäß springt eine solche Kurbelwelle, wenn sie gerichtet wurde, bei Belastung wieder zurück in d^;e ursprüngliche Form. Dabei besteht die Gefahr der Bildung von Mikrorissen in den Hohlkehlen bzw. Überbeanspruchung.

Es ist zwar nach der DE-PS 12 07 716 bekannt, zur Erzielung einer verzugsfreien gehärteten Kurbelwelle die Wellenlagerzapfen wie bekannt gleichmäßig über den Umfang zu härten, dagegen die Kurbellagerzapfen im Nahbereich der Wellenachse tief und breit zu härten und im Bereich fern der Wellenachse flach und nur im zylindrischen Teil zu härten. Hierzu werden sehr aufwendige Härteeinrichtungen vorgeschlagen, die sich bisher nicht einführen konnten. Außerdem werden bei Kurbelwellen mit hohlgebohrten Kurbel- und Wellenzapfen die Spannungsspitzen in der Symmetrieachse der Wange abgebaut und nach den Seiten verlagert. Dort würde die fehlende Härte eine Schwächung der Welle bedeuten.

Nach einem weheren Gedanken der Erfindung wird vorgeschlagen, daß in der Kröpfungsebene vom durchbohrten Wellenzapfen durch die Wange zur Hubzapfenmitte eine geneigte Schmierölbohrung verläuft, die zu den Hohlkehlen des Wellen- und Hubzapfens etwa gleiche Abstände hat und innerhalb des Durchmessers der Entlastungsbnhrung ausmündet. Die mittige Lage dieser Schmierölbohrung innerhalb der Kurbelwange liegt im Bereich niedriger Spannungen und in vorteilhafte." Weise innerhalb der Bodenfläche der Entlastungsbohrung, so daß keine Verschneidung mit dem Umfang der Entlastungsbohrung eintritt. Diese Lage läßt sich besonders einfach herstellen und gestattet zugleich die Schmierölbohrung mit herkömmlichen Verschlußstopfen mit Preßsilz zu verschließen.

Zum weiteren Abbau von Maximalspannungen, die sich besonders an der Oberfläche konzentrieren, wird vorgeschlagen, daß die Verschneidungskante der Entlastungsbohrung mit der äußeren Wange durch eine umlaufende Fase gebrochen oder abgerundet ist.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Wellenzapfen in ihrer Längsrichtung durchbohrt sind. Hierdurch ergibt sich fur die hochbeanspruchte Hohlkehle des Kurbelzapfens im unteren Bereich in der Kröpfungsebene ein wirkungsvoller Abbau der Spannungsspitzen und eine Verteilung der Spannungen nach beiden Seiten in die breite elliptisch geformte Wange.

Damit ergibt sich eine Kurbelwelle, bei der aufgrund günstiger Formgebung und Abstimmung von Einzelmaßnahmen die Maximalspannungen beträchtlich gesenkt werden können, so daß die Gestaltfestigkcit entsprechend steigt und eine Leistungssteigerung der Maschine ohne Veränderung von Hauptabmessungen möglich ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.

Die Abbildung zeigt eine einzelne Kröpfung einer Kurbelwelle für eine Brennkraftmaschine in V-Bauart. Die beiden Wellenzapfen i, 2 sind in Achsrichtung durchbohrt. Durch diese Lär.gsbohrung 3 werden besonders Spannungspitzen in der Hohlkehle 4 im unteren Bereich des Kurbel/apfens 5 abgebaut und eine Verteilung der Spannungen nach beiden Seiten in die elliptisch geformten Kurbelwangen 6,7 erreicht.

Die Kurbelwangen 6, 7 sind oberhalb der Kurbelzap-

fenmitte abgeschrägt, so daß ihre Dicke bis zum oberen Ende des Kurbelzapfens 5 gleichmäßig abnimmt. Diese gewölbte Abschrägung 8 entspricht einer Kegelform, deren Achse in der Wellenzapfenmitte liegt. Hierdurch kann die kegelige Form durch Drehen der Kurbelwelle um ihre Achse erzeugt werden. Eine Abschrägung, die abweichend von der zeichnerischen Darstellung durch eine gerade Fläche begrenzt wird, ist ebenso möglich. Im Bereich der Abschrägung 8 ist in der Wange 6 und 7 des Kurbelzapfens 5 eine Entlastungsbohrung 9 vorgesehen, deren flache Bodenfläche mit einer verhältnismäßig großen Hohlkehle in die Umfangsfläche übergeht. Die Tiefe der Entlastungsbohrung 9 reicht im achsnahen Bereich der Kurbelwelle etwa bis in die Mitte der Kurbelwangendicke. Ihr Abstand von der Mitte des Wellenzapfens 1, 2 bis zum Rand der Entlastungsbohrung 9 im achsnahen Bereich der Kurbelwelle beträgt das 0,6fache des Wellenzapfendurchmessers. Außerdem hat die Entlastungsbohrung 9 im achsfernen Bereich, zwischen ihrer Umfangsfiäche und der Hohlkehle 4 des Kurbelzapfens 5 eine Mindestwandstärke von 12 mm. Zwischen diesen Randbegrenzungen kann der Durchmesser der Entlastungsbohrung 9 zwischen dem 0,35- bis 0,55fachen des Wellenzapfendurchmessers 1,2 betragen.

Durch diese Lage und Größe der Entlastungsbohrung 9 werden die Maximalspannungen in der Hohlkehle 10 des Wellenzapfens 1, 2 im Bereich der Kröpfungsebene bedeutend herabgesetzt und zu den Seiten der breiten, elliptisch geformten Wangen 6, 7 verteilt. Die Verringerung der Maximalspannungen bedeutet ein zahlenmäßig kleines Verhältnis von Maximal- zu Nennspannungen, das tluic!. Jic sogenannte Formziffer ausgedruckt wird. Niedrige Formziffern bedeuten eine geringere Belastung des Bauteils und damit eine größere Bauteil- oder Gestaltfestigkeit. Die beschriebene günstige Form der Kurbelkröpfung wird ergänzt durch die Begrenzung der Härtezonen 11, 12, die sich über die ganze Länge des Kurbelzapfens 5, einschließlich der Hohlkehlen 4 bis in die Wangen 6, 7 erstreckt, während sie beim Wellenzapfen I₁ 2 nur auf dessen zylindrischen Teil beschränkt bleibt. Hierdurch wird die Gestaltfestigkeit des Kurbelzapfens und des benachbarten Wangenteils, in dessen Bereich erfahrungsgemäß die höchstbeanspruchte Stelle liegt, beträchtlich erhöht und so der Gestaltfestigkeit des stärkeren Wellenzapfens angeglichen. Darüber hinaus hat die Beschränkung der Härtezone beim Wellenzapfen den Vorteil, daß sich

ίο die Kurbelwelle nachhaltig richten läßt, was bei gehärteten Wellen wegen des Verziehens notwendig ist. Ganz durchgehärtete Kurbelwellen oder solche, bei denen Hub- und Wellenzapfen einschließlich der Hohlkehlen bis in die Wangenflächen gehärtet sind,

i"> lassen sich nicht richten; die scheinbar gerichtete Kurbelwelle springt bei Belastung wieder in die ursprüngliche Form zurück. Außerdem entstehen beim Richten einer gehärteten Kurbelwelle leicht kleine Risse, von denen Brüche ausgehen.

Vom Wellenzapfen 1, 2 führt ein Schmierölkanal 13 durch die Wange 6 zum Kurbelzapfen 5. Damit die Kurbelwange 6 am wenigsten geschwächt wird, ist der Schmierölkanal 13 so geneigt, daß er zu den benachbarten Hohlkehlen 4,10 des Kurbelzapfens 5 wie auch des Wellenzapfens 1,2 etwa gleiche Abstände hat. Zugleich ist der Schmierölkanal in seiner Lage und Größe so gewählt, daß er innerhalb der Entlastungsbohrung 9 liegt. Er liegt damit auch außerhalb des Bereiches gefährlich hoher Oberflächenspannungen und ist sehr einfach zu fertigen und bedarf keiner sorgfältigen Ausrundung an der Mündung in die Entlastungsbohrung 9.

Anders ist dies bei den Entlastungsbohrungen 9, die direkt im Bereich maximaler Oberflächenspannungen liegen und aus diesem Grunde eine umlaufende Fase 14 erhalten. Die umlaufende Fase 14 ist fertigungstechnisch einfacher herzustellen als eine sorgfältige Ausrundung des Randes der Entlastungsbohrung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kurbelwelle für eine mehrzylindrige, kurzhubige Brennkraftmaschine, bei der sich Hub- und Kurbelzapfendurchmesser überschneiden und die Kurbelwange etwa von der Mitte des Kurbelzapfens mit zunehmendem Abstand von der Wellenmitte in der Dicke abnimmt und bei der in den Kurbelwangen im Bereich der Hubzapfen Entlastungsbohrungen vorgesehen sind, die zur Lagerzapfenachse geneigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastungsbohrungen als Sackbohrungen mit ausgerundetem Übergang der Umfangsfläche zur flachen Bodenfläche ausgebildet sind, wobei der Übergang an der dem Wellenlagerzapfen am nächsten liegenden Stelle annähernd in der Mitte zwischen Hub- und Wellenzapfen liegt und bei einem Durchmesserverhältnis von Hub- und Wellenzapfen von etwa 0,8 der Durchmesser der EmIastungsbohrung dem 0,35- bis 0,55fachen des Wellenzapfendurchmessers entspricht, höchstens aber so groß ist, daß die Verschneidung der Entlastungsbohrung mit der äußeren Kontur der Wange mindestens einen Abstand von der Wellenachse von 0,6 des Wellenzapfendurchmessers hat und die Entlastungsbohrung einen Mindestabstand vom Übergangsradius des Hubzapfens zur Wange von 12 mm hat.

2. Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich beim Wellenzapfen eine Härtezo- μ ne ausschließlich über den zylindrischen Bereich erstreckt, während sie sich beim Hubzapfen über den zylindrischen Bereich und dessen Übergang bis in die Wange erstreckt.

3. Kurbelwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ji gekennzeichnet, daß in der Kröpfungsebene vom durchbohrten Wellenzapfen durch die Wange zur Hubzapfenmitte eine geneigte Schmierölbohrung verläuft, die zu den Hohlkehlen des Wellen- und Hubzapfens etwa gleiche Abstände iiat und inner- 4ü halb des Durchmessers der Entlastungsbohrung ausmündet.

4. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschneidungskante, die die Entlastungsbohrung mit der abgeschrägten Wangenfläche bildet, durch eine Fase gebrochen oder abgerundet ist.

5. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenzapfen in ihrer Längsrichtung durchbohrt sind.