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Baureihe von mehrzylindrigen Hubkolbenmotoren
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Die Erfindung betrifft eine Baureihe von mehrzylindrigen Hubkolbenmotoren
nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Zur rationellen Fertigung von Motorbaureihen hat man bisher schon
vielfach das Baukastenprinzip angewandt, d. h.
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soweit wie möglich bau- und maßgleiche Bauteile für die verschiedenen
Motoren verwendet. Jedoch ist das Baukastenprinzip auf solche Bauformen beschränkt
geblieben, die lediglich in mittlerer Losgröße hergestellt werden.
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Bei Motoren für Personenkraftwagen, die in sehr großen Stückzahlen
hergestellt werden, hat man das Prinzip des Baukastens weniger konsequent angewandt.
Dies liegt zum Teil auch daran, daß man für die im Personenkraftwagenbau erforderlichen
Leistungsbereiche eine Spanne von Zylinderzahlen braucht, die sinnvollerweise nicht
nach dem gleichen Prinzip innerhalb des Hubkolbenmotors angeordnet werden. Kleinere
Motoren mit vier, maximal fünf Zylindern werden üblicherweise als Reihenmotor, größere
Motoren ab sechs Zylinder üblicherweise als V-Motor mit
zwei geneigt
zueinander angeordneten Zylinderreihen ausgebildet. Ein Baukastensystem zwischen
diesen beiden Bau arten hat man wegen der grundsätzlichen Unterschiede der beiden
Bauarten bisher nicht angewandt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung anzugeben, die es gestattet,
wesentliche Bauelemente einer sowohl Reihen- als auch V-Motoren umfassenden Baureihe
einheitlich mittels einer gemeinsamen Fertigungsstraße für die spanabhebende Bearbeitung
der Rohlinge der Motorteile wirtschaftlich herzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
von Anspruch 1 gelöst. Dank der "Halbierung" eines V-Motors in Längsrichtung und
dank der unsymmetrischen Ausgestaltung bzw. Unterteilung der Kurbelwelle in Axialrichtung
können sowohl die Zylinder/ Kurbel-Gehäuse von V-Motoren als auch die von Reihenmotoren
in der gleichen Transferstraße gefertigt werden, wenngleich die Rohlinge unterschiedlich
sind. Das gleiche gilt sinngemäß mit gewissen Einschränkungen auch für die Kurbelwellen
der beiden unterschiedlichen Motoren.
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Die Vorteile einer solchen Baureihe liegen darin, daß für unterschiedliche
Motorengrößen und -bauformen lediglich eine Fertigungsstraße vorgesehen zu werden
braucht. Dadurch können Tnvestitionskosten in sehr grossem Ausmaß eingespart und/oder
bestehende Fertigungseinrichtungen höher ausgelastet werden. Mit Rücksicht auf eine
weitgehend automatisierte und personalunabhängige
Fertigung ist
häufig ohnehin eine komplette Fertigungsstraße zu installieren, die dann aber nicht
ausgelastet ist, wenn sie beispielsweise nur mit Motorblöcken für V-Motoren oder
nur mit Motorblöcken für Reihenmotoren beschickt wird. Dank der Ausgestaltung der
Motoren nach der Erfindung können - wie gesagt - höhere Auslastungsgrade erzielt
werden. Diese Vorteile ergeben sich auch dann - wenn auch nur in entsprechend eingeschränktem
Umfang - wenn die Übereinstimmung der einzelnen Motorentypen innerhalb einer heterogenen
Baureihe auf die außermittige Anordnung der Kurbelwellenhauptlager zwischen den
Zylinderlaufbüchsen bzw. den Pleuelzapfen beschränkt sind. An sich ist es lediglich
eine Frage der Platzverhältnisse beim Einbau eines Reihenmotores oder eine Frage
der Anordnung bzw. des Antriebes von Motornebenaggregaten wie Wasserpumpe, Einspritzpumpe,
Zündverteiler, Schmierpumpe oder Nockenwelle, welche der beiden Zylinderreihen eines
V-Motores beim Übergang auf einen Reihenmotor weggelassen werden soll. Es kann grundsätzlich
die eine oder die andere Zylinderreihe weggelassen werden. Aus Festigkeitsgründen
zugunsten der Kurbelwelle kann es günstiger sein, diejenige Zylinderreihe des V-Motors
für einen Reihenmotor wegzulassen, die axial um eine Pleuelfußbreite näher an der
Antriebs- bzw.
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Schwungradseite des Motors liegt. Dadurch ergibt sich beim entsprechenden
Reihenmotor für die Kurbelwelle, daß die letzte am höchsten belastete Kurbelwange
axial eine dicke höherbelastbare Wange ist. Durch die Weglassung einer Zylinderreihe
am V-Motor ergeben sich für den dadurch gebildeten Reihenmotor aufgrund der Neigung
der Zylinderreihe günstigere Platz- und Einbauverhältnisse,
weil
der Motor in Vertikalrichtung insgesamt flacher als ein Reihenmotor mit vertikalstehender
Zylinderreihe baut und weil seitlich ein größerer Freiraum zur Unterbringung von
Motornebenaggregaten geschaffen wird. Ein durch Kürzung einer Zylinderreihe aus
einem V-Motor geschaffener Reihenmotor hat im übrigen bezüglich seiner Triebwerksteile
hohe festigkeitsmäßige Reserven. Dies kommt entweder einer hohen Lebensdauer bzw.
Betriebssicherheit des Reihenmotors zugute; oder aber diese Belastungsreserven können
zu Zwecken der Leistungssteigerung des Reihenmotors mittels Aufladung, insbesondere
mittels Abgasturboaufladung ausgenutzt werden. Der Einbauraum für einen Abgasturbolader
ist aufgrund der Schräglage der Zylinderreihe ohnehin auf natürliche Weise gegeben.
Aufgrund der Leistungssteigerung mittels Abgasturboladung können in bekannter Weise
neben der höheren absoluten Leistung ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch,
eine höhere volumenbezogene Leistung, also eine geringere Steuerbelastung für den
Kraftfahrzeugbenutzer, geringere auf die Motorleistung bezogene Fertigungskosten
und geringeres leistungsbezogenes Motorgewicht erzielt werden. Gleichwohl bleibt
neben diesen Vorteilen eines aufgeladenen Reihenmotors ein entsprechend größer und
schwerer bauender V-Motor noch sinnvoll, weil er aufgrund geringerer Leistungskonzentration
die Vorteile einer größeren Lebensdauererwartung und besseren Betriebsverhaltens
insbesondere im instantionären Bereich sowie einen günstigeren Drehmomentverlauf
aufweist. Natürlich sind neben der erwähnten Einbaulage mit geneigter Zylinderreihe
je
nach gegebenen Platz- oder Einbauverhältnissen auch ohne weiteres ein liegender
oder ein stehender Einbau möglich.
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Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele
nachfolgend noch kurz erläutert; dabei zeigen: Fig. 1 und 2 Querschnitt durch (Fig.
1) und Draufsicht auf (Fig. 2) einen V-Motor mit vier Zylindern je Zylinderreihe,
Fig. 3 und 4 einen Querschnitt durch (Fig. 3) und eine Draufsicht auf (Fig. 4) einen
entsprechenden Reihenmotor mit vier Zylindern u n d Fig. 5 und 6 Seitenansicht (Fig.
5) und Axialansicht (Fig. 6) auf eine Kurbelwellenkröpfung einer Reihenmotor-Kurbelwelle
mit ungleichen Kurbelwangen.
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In den Fig. 1 und 2 ist ein V-Motor 1 bzw. ein Zylinder/ Kurbel-Gehäuse
3 für einen solchen Motor mit zwei Zylinderreihen 7a und 7b mit je vier Zylinderbohrungen
17 dargestellt. Die Zylinderköpfe 5 sowie die Ölwanne 6 sind angedeutet. In die
Draufsicht der Fig. 2 ist die Kurbelwelle 8 strichliert eingezeichnet mit insgesamt
fünf Hauptlagern lo. Die Zylinderbohrungen der beiden gegenüberliegenden Zylinderreihen
sind um ein gewisses Maß a axial zueinander versetzt, welches der Breite eines Pleuelfußes
13 der Pleuelstange 14 entspricht. Bei der
Kurbelwelle für den
V-Motor mit zwei gegenüberliegenden Zylinderreihen sind die Pleuelzapfen 11 so lang
ausgebildet, daß zwei Pleuelfüße nebeneinander auf ihm untergebracht werden können.
Der lange Pleuelzapfen 11 liegt symmetrisch zwischen zwei Hauptlagern 10 der Kurbelwelle
und wird von zwei in Axialrichtung dünnen gleichstarken Kurbelwangen 15 getragen.
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In den Fig. 3 und 4 ist ein weitgehend bau- und maßgleiches Zylinder/Kurbel-Gehäuse
4 für einen Reihenmotor 2 dargestellt, welches gewissermaßen dadurch aus dem Zylinder/Kurbel-Gehäuse
für einen V-Motor hervorgegangen ist, daß die eine Zylinderreihe - beim dargestellten
Ausführungsbeispiel die rechte - weggelassen und durch eine Gehäusewandung ersetzt
worden ist. Das solcherart ausgestaltete Zylinder/Kurbel-Gehäuse kann ohne weiteres
auf der gleichen Transferstraße bearbeitet werden, die für eine Fertigung des Zylinder/Kurbel-Gehäuses
3 für den V-Motor nach Fig. 1 ausgelegt ist, weil die Bohrbilder und die Fräsflächen
- soweit sie an dem Zylinder/Kurbel-Gehäuse 4 nach Fig. 3 überhaupt vorhanden sind,
mit denen des Gehäuses nach Fig. 1 identisch sind.
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Selbstverständlich sind wegen der Verwandtschaft des Gehäuses nach
Fig. 3 mit dem nach Fig. 1 die Hauptlager 10 für die Kurbelwelle 9 ebenfalls um
eine Pleuelfußbreite a gegenüber der Mitte der Zylinderbohrungen 17 versetzt.
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Jedoch greift an jedem Pleuelzapfen 12 der Kurbelwelle 9 für den Reihenmotor
jeweils nur eine Pleuelstange 14 an, so daß der Pleuelzapfen 12 lediglich auf die
Breite eines einzigen Pleuelfußes 13 ausgelegt zu sein braucht. Dadurch
ergibt
sich eine unsymmetrische Anordnung der Lage des kurzen Pleuelzapfens 12 zwischen
zwei benachbarten Hauptlagern 10, so daß sich eine normale dünne Kurbelwange 15
und eine axial dicke Kurbelwange 16 für jede Kröpfung der Kurbelwelle ergibt. Die
Umfangslage der einzelnen Pleuelzapfen 12 entspricht der der Kurbelwelle 8 für den
V-Motor. Da der Massenausgleich für einen Reihenmotor sich anders gestaltet als
für einen V-Motor, sind außer den unterschiedlichen Stärken der Kurbelwangen auch
noch unterschiedliche Gegengewichte an der Kurbelwelle 9 im Vergleich zur Kurbelwelle
8 anzubringen.
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Die Gestaltung der beiden unterschiedlichen Kurbelwangen 15 und 16
ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt und soll nachfolgend näher beschrieben worden.
Wie die axiale Ansicht der Kröpfung nach Fig. 6 erkennen läßt, sind die Kurbelwangen
in dieser Ansicht im wesentlichen rautenförmig gestaltet, wobei die verrundeten
Ecken der Rauten auf der Höhe der Überschneidung 19 von Hauptlagerzapfen loa und
Pleuellagerzapfen 12 liegen; die Mittenlinie des Überschneidungsbereiches 19 ist
durch eine strichpunktierte Linie 20 angedeutet, die durch die erwähnten Rautenkanten
hindurchverläuft. Abweichend von einer exakten Rautenform sind die den Hauptlagerzapfen
bzw. Pleuellagerzapfen zugeordneten Rundungen der Kurbelwangen sowie die Anschraubfläche
18, die tangential zu diesen Rundungen ausgerichtet ist und im dargestellten Ausführungsbeispiel
um 30 Grad gegenüber der Richtung der Kröpfung versetzt ist. Mit Rücksicht auf die
höhere Tragfähigkeit der dickeren Kurbelwange 16 kann diese in der in Fig. 6 dargestellten
Axialansicht schmaler gehalten werden (Maß b) als die dünne
Wange,
die zur Erzielung einer entsprechend großen Festigkeit mit dem größeren Maß B ausgestaltet
ist. Die rohe theoretisch zur Verfügung stehende Außenkontur der Kurbelwangen ist
in Fig. 5 mit einem strichpunktierten Linienzug angedeutet. Zur Gewichtsreduzierung
der rotierenden Massen weisen diese angedeuteten Kurbelwangen auf ihrer radial außen
liegenden Umfangsseite 21 Ausnehmungen 22 auf. Die Ausnehmungen sind so gestaltet,
daß sich in der Seitenansicht nach Fig. 5 ein etwa parabel oder hyperbelförmiger
Verlauf der äußeren Umrißlinie der Kurbelwangen ergibt. Die Ausnehmung ist bei der
dicken Kurbelwange wesentlich breiter und tiefer als bei der dünnen Kurbelwange.
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Angestrebt wird ein möglichst geringer rotierender Massenanteil an
der dicken Kurbelwange 16, so daß dessen rotierender Massenanteil möglichst dem
der dünnen Wange angenähert ist. Außer den erwähnten umfangsmäßigen Ausnehmungen
weist die dicke Kurbelwange außerdem noch auf beiden axialen Stirnseiten Abnehmungen
23 und 24 auf. Diese sind axial so bemessen, daß die Anschraubfläche 18 für das
Gegengewicht an der dicken Kurbelwange in etwa genau so groß ist wie die an der
dünnen Wange. Die Abnehmungen 23 und 24 erstrecken sich auch in Umfangsrichtung
der Kurbelwangen. Aufgrund einer solchen massenmäßig in etwa gleichbemessenen dicken
Kurbelwange im Vergleich zur dünnen Wange wird nicht nur das Gewicht der Kurbelwelle
insgesamt verringert, was einem geringen Motorgewicht zugute kommt, sondern es wird
auch dadurch der weitere Vorteil erzielt, daß für beide Kurbelwangen für einen ausreichenden
Massenausgleich gleiche Gegengewichte 25 verwendet werden können. Dieses läuft bei
angeschmiedeten oder angegossenen Gegengewichten auf eine gute Formbarkeit wegen
geringer Wandstärkeunterschiede und auf
ein insgesamt geringes
Gewicht hinaus. Bei angeschraubten Gegengewichten bedeutet dies außer einem geringen
Gesamtgewicht eine fertigungsgünstige einheitliche Gestaltung unter Ausschluß einer
möglichen Verwechslungsgefahr von Gegengewichten bei der Montage.
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Wie in Fig. 4 angedeutet, soll in der dortigen Darstellung die Abtriebs-
oder Schwungradseite unten im Bild sich befinden (Schwungrad 26). Man erkennt, daß
die letzte abtriebseitige und am höchsten belastete Kurbelwange eine dicke Kurbelwange
16 ist, die diesen höheren Belastungen eher gewachsen ist. Diese Anordnung bei dem
Reihenmotor nach Fig. 4 ergibt sich dadurch, daß bei dem V-Motor nach Fig. 2 die
rechte der unteren Abtriebseite näher liegende Zylinderreihe 7b weggelassen ist.
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Außer dem Vorteil einer rationellen Fertigung des Reihenmotors auf
der gleichen Fertigungsstraße wie für den V-Motor bietet der Reihenmotor 2 mit der
geneigten Zylinderreihe 7a auch noch gewisse Platzvorteile beim Einbau des Motors
in einem Motorraum eines Personenkraftwagens. Die gesamte Einbauhöhe ist niedriger
als bei einem vertikal stehenden Reihenmotor und es wird aufgrund der Querneigung
der Zylinderreihe einseitig vermehrt Raum zum Einbau von Nebenaggregaten geschaffen.
Abgesehen von den quer zu der Achse der Zylinderbohrungen gesehenen Bohrbilder sind
auch die quer zu der Kurbelwellenachse genommenen Bohrbilder der beiden in den Figuren
dargestellten Motor typen weitgehend identisch. Die übrigen Motorteile wie Kolben,
Pleuelstangen, Wasserpumpe, Zylinderkopf usw. können ohnehin gleich ausgestaltet
sein.
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L e e r s e i t e