DE2435476C3 - Kurbelwelle für eine mehrzylindrige, kurzhubige Brennkraftmaschine - Google Patents
Kurbelwelle für eine mehrzylindrige, kurzhubige BrennkraftmaschineInfo
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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)
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.
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |