DE2916210C2

DE2916210C2 - Crankshaft, in particular for reciprocating piston engines

Info

Publication number: DE2916210C2
Application number: DE19792916210
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl.-Ing. 7056 Weinstadt Hoppe; Otto Dr.-Ing. 7053 Kernen Lang
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1979-04-21
Filing date: 1979-04-21
Publication date: 1984-02-02
Also published as: DE2916210A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle, insbesondere für Hubkolbenmaschinen mit Hauptlagerzapfen und mit Kurbelzapfen.The invention relates to a crankshaft, in particular for reciprocating piston machines with main bearing journals and with Crank pin.

Die berührungsfreie Kraftübertragung zwischen einer Welle und einem Gleitlager resultiert aus dem Schmierfilmdruckaufbau in dem konvergierenden Spalt, der sich aus der kreiszylindrischen Lagerschale und dem sich exzentrisch gegenüber dem Lagermittelpunkt einstellenden Zapfenmittelpunkt eines kreiszylindrischen Zapfens ergibt, dessen Radius um das halbe Lagerspiel kleiner ist als der Radius der Lagerschale. Das an den Oberflächen von Zapfen und Lagerschale haftende Schmiermittel wird vom rotierenden Zapfen in den sich verengenden Spalt hincingcfördcri und entwickelt dabei sch'· !:\igfähige Drücke, die um so größer sind, je großer die Lagcrabmcssungcn im bo Durchmesser und in der Breite, je größer die Drehzahl des Zapfens und die Schmiermiltelzahigkeit 'und je enger das Lagerspiel ist. Ls ist daher üblich, in hochbclastctcn Lagern sehr enge Lagerspiele zu verwenden, wobei die Grenze durch die Feriigungsge- to nauigkcit und die Oberflächengüte bestimmt wird. Andererseits sind enge Lagcrspiclc sehr empfindlich gegen Verformungen und Verunreinigungen im Öl.The non-contact power transmission between a shaft and a plain bearing results from the Lubricant film pressure build-up in the converging gap, which is made up of the circular cylindrical bearing shell and the eccentric with respect to the bearing center adjusting pin center of a circular cylindrical Pin results, the radius of which is half the bearing play smaller than the radius of the bearing shell. The lubricant adhering to the surfaces of the journal and bearing shell is carried by the rotating journal in The narrowing gap conveys and develops in the process dangerous pressures which are all the more the greater the bearing dimensions in diameter and width, the greater the speed of the journal and the lubricant viscosity 'and the closer the bearing clearance is. Ls is therefore common in hochbclastctcn bearings to use very narrow bearing clearances, the limit being determined by the manufacturing area nauigkcit and the surface quality is determined. On the other hand, tight storage spaces are very sensitive against deformations and contamination in the oil.

Es sind darüber hinaus Mehrflächen-Gleitlager bekannu bei weichen in Unifangsrichtung an mindestens zwei Stellen das Lagerspiel verringert ist Die Bohrung eines solchen Lagers ist abweichend von der kreiszylindrischen Form je nach Hauplbelastungsrichtungen oval, dreieckförmig, viereckförmig usw. geformt. Auch diese Lager sind empfindlich gegen Verunreinigungen im ÖL obwohl andererseits eine Spülung durch größeren Oldurchsatz erreicht werden kann.There are also multi-surface plain bearings known for soft in the unifangs direction at least two places the bearing clearance is reduced. The bore of such a bearing is different from the circular cylindrical one Shape oval, triangular, square, etc. depending on the main load directions. Even these bearings are sensitive to contamination in the oil although on the other hand they are flushed by larger ones Oil throughput can be achieved.

Femer sind Lager bekannt, bei welchen im Bereich der Haupidnjckenwicklung das Lagerspiel verringert wird — genauer, die Schmiegung zwischen Zapfen und Lagerschale verbessert wird Diese Möglichkeit wird z. B. beim sogenannten Zilronenspiellager genutzt bei dem die Lagerschalen in der Hauptbelastungsebene ein kleineres Spiel besitzen als senkrecht dazu. Nach einem neueren Vorschlag kann auch die Lagerschale derart geformt sein, daß im Hauptbelastungsbereich ein enges, im unbelasteten oder geringbelasteten Bereich ein großes LagerspieS vorhanden ist. Gemeinsame Voraussetzung für beide Formen der verbesserten Schmiegung ist jedoch, daß die Hauptbelastungsbereiche in einer festen Orientierung zur Lagerschale auftreten, dabei sollte diese Orientierung aus Fertigungsgründen möglichst senkrecht zur horizontalen Teilung der beiden Lagerhälften liegen.Furthermore, bearings are known in which the bearing play is reduced in the area of the main inner winding is - more precisely, the osculation between the journal and bearing shell is improved This possibility becomes z. B. used in the so-called cilron game camp which the bearing shells in the main load plane have a smaller game than perpendicular to it. After a more recent proposal, the bearing shell can also be shaped in such a way that a narrow, There is a large bearing gap in the unloaded or lightly loaded area. Common requirement for both forms of the improved osculation is that the main load areas in one fixed orientation to the bearing shell occur, this orientation should be possible for manufacturing reasons perpendicular to the horizontal division of the two bearing halves.

Schließlich ist aus der DE-PS 8 03 862 oin Gleitlager bekannt, bei dem der im Lagerkörper umlaufende Wellenteil an seiner Gleitfläche mehrere in Lagerlängsrichtung verlaufende Abflachungen besitzt. Diese Abflachungen haben jedoch keinen Einfluß auf die Schmiegung zwischen Welle und Lagerkörper.Finally, from DE-PS 8 03 862 oin plain bearings known, in which the rotating shaft part in the bearing body on its sliding surface several in the longitudinal direction of the bearing has running flats. However, these flats have no effect on the Osculation between shaft and bearing body.

Aufgabe der Erfindung ist es. eine Kurbelwelle, insbesondere für Hubkolbenmaschinen an den Lagerstellcn von Hauptlager- und Kurbelzapfen derart auszubilden, daß die Lagcrschalen auch mit einer Bohrung in Kreisform imstande sind, sowohl die Gaskräftc als auch die Massenkräfte unter Nutzung des Vorteils einer örtlich verbesserten Schmiegung, aufzunehmen. It is the object of the invention. a crankshaft, especially for reciprocating piston engines at the Lagerstellcn of main bearing and crank pin to be designed in such a way that the bearing shells also come with a Boring in a circular shape are able to use both the gas forces and the inertial forces Take advantage of a locally improved osculation.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs I gelöst.This problem is solved by the characterizing part of claim I.

Durch die entsprechenden Korrekturen am Hauptlager- und Kurbelzapfen ist der Vorteil einer verbesserten Schmiegung in vollem Umfang nutzbar, weil sich die Massenkräfte sehr deutlich auf einen begrenzten Teil des Zapfenuinfangs konzentrieren.By making corrections to the main bearing and crank pin, the advantage is an improved one The oscillation can be used to the full extent because the inertial forces are very clearly limited to a limited part of the cone nose.

Durch die verbesserte Schmierung erfolgt der Druckaufbau im Schmierspalt über einen größeren Umfangsbereich mit geringeren Amplituden und weniger stellen Druckgradienten. Die Tragfähigkeit als Resultierende aller Schmierfilmdrücke steigt hierbei in ähnlicher Weise wie durch ein verkleinertes Lagerspiel, ohne jedoch dessen Nachteile wie Empfindlichkeit auf Schmutz und Verformung sowie in bezug auf Wärmeabfuhr. Die Maximaldrücke werden geringer und die Druckgradienten im Bereich des engen Lagerspiels ebenfalls, wodurch die zur Materialermüdung führenden Spannungen verringert werden. Der Oldurchsatz ist besser, die Wärmeabfuhr günstiger.Due to the improved lubrication, the pressure build-up in the lubrication gap takes place via a larger one Circumferential area with lower amplitudes and fewer represent pressure gradients. The carrying capacity as The resultant of all lubricating film pressures increases in a similar way to a reduced bearing clearance, but without its disadvantages such as sensitivity to dirt and deformation as well as with regard to heat dissipation. The maximum pressures are lower and the pressure gradients in the area of the narrow bearing clearance also, whereby the stresses leading to material fatigue are reduced. The oil throughput is better, the heat dissipation cheaper.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann der Kurbelzapfen oval ausgebildet sein, wobei die die Stellen starker Oberflächenkrümmung kennzeichnende ■ lange Achse des Ovals quer zur Hubrichtung des Kurbelzapfens ausgebildet ist.According to a further feature of the invention, the crank pin can be oval, the Long axis of the oval, which is characteristic of strong surface curvature, is transverse to the stroke direction of the Crank pin is formed.

An Kurbelzapfen wirken die Gaskräfte nur auf die Oberseite, die Massenkraftc hingegen nur auf die Unterseite des Kurbelzapfens. Daraus ergibt sich dieAt the crank pin, the gas forces only act on the upper side, whereas the inertial force only acts on the Underside of the crank pin. This results in the

Ovalforni für den Kurbelzapfen.Oval shape for the crank pin.

Bei einer Kurbelwelle mil Anordnung je einer Kurbel axial vor bzw. hinter einem Hauptlagerzapfen können die Haupilager/.apfert derart unrund ausgebildet werden, daß gegenüberliegend von je einer an den Hauptlagerzapfen angrenzenden Kurbeln eine Umfangssielle geringer Obcrfläehcnkrümniung angeordnet ist.In the case of a crankshaft with an arrangement, one crank each axially in front of or behind a main bearing journal the main bearings / .apfert are designed so out of round, that opposite one of each of the cranks adjoining the main bearing pin a circumferential line low surface curvature arranged is.

Bei einer Kurbelwelle mit zueinander geneigt angeordneten angrenzenden Kurbeln kann an der Winkelhalbierenden der angrenzenden Kurbeln ebenfalls eine Limfangsstelle geringerer Oberflächenkrünimung vorgesehen sein.In the case of a crankshaft with adjacent cranks arranged inclined to one another, the The bisecting line of the adjacent cranks also has a limit stop with less surface curvature be provided.

Am Hauptlagerzapfen konzentrieren sich die Gaskräfte jedoch immer auf der den beiden anliegenden Hüben gegenüberliegenden Seite und die Massenkräfte liegen in der resultierenden Ebene zwischen diesen beiden Hüben. Daraus ergibt sich z. B. für eine 6hübige Kurbelwelle ein dreibogiges Profil für den Hauptlagerzapfen, wobei die Hauptkrümmungsmittelpunkte in Richtung der anliegenden Hübe und deren Winkelhalbierenden !' ·ι: .η.The gas forces are concentrated on the main bearing journal however, always on the side opposite the two adjacent strokes and the inertia forces lie in the resulting plane between these two strokes. This results in z. B. for a 6hübige Crankshaft has a three-lobe profile for the main bearing journal, with the main centers of curvature in Direction of the adjacent strokes and their bisecting lines! ' · Ι: .η.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Differenz der Krümmungsradien an der Stelle geringster, gegenüber der an der Stelle größter Oberflächenkrümmung bis zu 40% vom gemiitcltcn Lagerspiel sein.In a further embodiment of the invention, the difference in the radii of curvature at the point of smallest, compared to the point of greatest surface curvature, up to 40% of the average bearing clearance.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigtThe invention is to be explained in more detail using an exemplary embodiment shown in the drawing will. It shows

Fig. 1 einen Lagerzapfen mit verbesserter Schmicgung, 1 shows a bearing pin with improved lubrication,

Fig. 2 einen Schnitt durch den Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gemäß der Erfindung undFig. 2 is a section through the crank pin of a Crankshaft according to the invention and

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Hauptlagerzapfcn der Kurbelwellenach Fig. 2.3 shows a section through a main bearing journal of the crankshaft according to FIG.

Der in der Fig. 1 dargestellte Lagerzapfen mit verbesserter Schmiegung besteht aus einer Lagerschale 1 mit dem Lagermittelpunkt OL und mit einer kreiszylindrischer: Bohrung 2. in welcher gleichfalls ein krcisz.ylindrischer Zapfen 3 mit Zapfcnmiiiclpunkt OZ gelagert ist. Der Zapfcnmiliclpunkt OZ liegt exzentrisch zum Lagcrmittelpunkt OL und stellt sich bei Drehbewegung des Zapfens 3 in eine Lage, die in Drehrichtung außerhalb der Schwcrlinic 4 lieg!.The bearing pin shown in Fig. 1 with improved osculation consists of a bearing shell 1 with the bearing center point OL and with a circular cylindrical bore 2. in which a krcisz.ylindischer pin 3 is also mounted with a journal point OZ. The Zapfcnnmiliclpunkt OZ is eccentric to the bearing center OL and when the pin 3 rotates, it is in a position which lies outside of the Schwcrlinic 4 in the direction of rotation.

Durch eine Ölbohrung 5 wird dem Lager Schmiermittcl 6 zugeführt. Das infolge der Viskosität des Öls in den Oberflächen von Zapfen 3 und Lagerschale 4 haftende Schmiermittel 6 wird vom rotierenden Zapfen 3 in den sich verengenden Spalt 7 als Schmierfilm zwischen Zapfen 3 und Lagerschale I hineingefördert und entwickelt dabei sehr tragfähige Drücke entsprechend der Druckverteilung, deren Verlauf die Kurve 8 zeigt. Die Tragfähigkeit kann nach der hydrodynamischen Glcitlagcrtheoric durch die SommerfeldzahlLubricant 6 is supplied to the bearing through an oil bore 5. This is due to the viscosity of the oil in the Surfaces of pin 3 and bearing shell 4 adhering lubricant 6 is from the rotating pin 3 in the narrowing gap 7 promoted as a lubricating film between pin 3 and bearing shell I and develops very stable pressures in accordance with the pressure distribution, the course of which is shown by curve 8. According to the hydrodynamic equilibrium theory, the load-bearing capacity can be determined by the summer field number

3d3d

So =So =

P V'² P V ' ²
BD η ωBD η ω

beschrieben werden. Die bei gleicher Exzentrizität bzw. wi gleicher minimaler Schmicrfilmdieke h„_m übertragbare Belastung F ist um so größer, je kleiner das relativeto be discribed. The load F which can be transmitted with the same eccentricity or wi the same minimum lubricant film thickness h " _m " is greater, the smaller the relative

Lagerspiel i/'= und je größer die Lagerabmes-Bearing clearance i / '= and the larger the bearing dimen-

sungen D=2R. Zapfendurchmesser = 2r. Ii = Breite sowie die Drehzahl 11 = —-^- und die Schmicrmillelzäliii'koii )i sind. F.s ist daher üblich, in hochbclasieten Lagern sehr enge Lagerspiele mit den bekannten Nachteilen zu verwenden, wobei die Grenze durch die Oberflächengüte und die Fertigungsgenauigkeit gegeben ist.sung D = 2R. Journal diameter = 2r. Ii = width and the speed 11 = - ^ - and the Schmicrmillelzäliii'koii) i are. It is therefore customary to use very narrow bearing clearances in high-class bearings with the known disadvantages, the limit being given by the surface quality and the manufacturing accuracy.

Wird der kreiszytindrische Lagei-zapfen 3, hingegen durch einen ovalen Zapfen 9 ersetzt, dann erfolgt ein Druckaufbau nach Kurve 10, welcher über einen größeren Umfangsbereich mit geringeren Amplituden und weniger steilen Druckgradienten verläuft. Die Tragfähigkeit als Resultierende aller Scbmierfilmdrücke steigt in ähnlicher Weise wie durch ein verkleinertes Lagerspiel, ohne jedoch dessen Nachteile wie Empfindlichkeit auf Schmutz und Verformung sowie Wärmeabfuhr usw. Durch den geringeren Druckgradienten und Verringerung der Maximaldrücke im Bereich von /?„„„ werden auch die zur Materialermüdung führenden Spannungen in der Lagerschale verkleinert.If the circular-cytindrische Lagei-zapfen 3, however replaced by an oval pin 9, then there is a pressure build-up according to curve 10, which via a larger circumferential area with lower amplitudes and less steep pressure gradients. the The load-bearing capacity as the result of all smear film pressures increases in a similar way to a reduced one Bearing play, but without its disadvantages such as sensitivity to dirt and deformation as well as heat dissipation etc. Due to the lower pressure gradient and reduction of the maximum pressures in the range of /? "" " the stresses in the bearing shell leading to material fatigue are also reduced.

Die Differenz der Krümmungsradien 11 (flacher Krümmungsteil des Lagerzapfens) und 12 (größere Oberflächenkrümmung) kann bis zu 40% vom gemittelten Lagerspiel betragen.The difference between the radii of curvature 11 (flat part of the curvature of the journal) and 12 (larger Surface curvature) can be up to 40% of the mean bearing clearance.

Die Kurbelwelle 13 (Fig. 2 und 3) besteht aus Hauptzapfenlager 14 mit Kurbelwangen 15 und Kurbelzapfen 16.The crankshaft 13 (Fig. 2 and 3) consists of main journal bearings 14 with crank webs 15 and Crank pin 16.

Am Hauptzapfenlager 14 konzentrieren sich die Gaskräfte immer auf der den beiden anliegenden Kurbelhüben gegenüberliegenden Seite und die Massenkräfte liegen in der resultierenden Ebene zwischen diesen beiden Hüben. Bei einer bhübigen Kurbelwelle weist beispielsweise das innere Hauptzapfenlager 14 ein dreibogiges Profil 17 auf, wobei die Haupt-Krümmungsmittelpunkte in Richtung der anliegenden Kurbelhübe und deren Winkelhalbierenden liegen. Die Herstellung solcher Prfile 17 kann z. B. durch ein im Zykloiden-Prinzip gesteuertes Schleifen mit dem Abwälzverhältnis I : 3 erreicht werden.At the main journal bearing 14, the gas forces are always concentrated on that of the two adjacent ones Crank strokes opposite side and the inertia forces are in the resulting plane between these two strokes. In the case of a heavy-duty crankshaft, for example, the inner main journal bearing 14 has a three-arched profile 17, the main centers of curvature in the direction of the adjacent crank strokes and their bisectors lie. The production of such Prfile 17 can, for. B. by a cycloid principle controlled grinding with a rolling ratio of I: 3 can be achieved.

An dem Kurbelzapfen 16 wirken die Gaskräfte nur auf die Oberseite, die Massenkräftc nur auf die Unterseite des Kurbelzapfens, so daß sich daraus ein Kurbelzapfen 16 mit einem ovalförmigcn Profil 18 ergibt.At the crank pin 16, the gas forces only act on the top, the inertial forces only on the Underside of the crank pin, so that it becomes a crank pin 16 with an oval-shaped profile 18 results.

Die Herstellung ovaler Kurbelzapfen kann durch Ausnutzung eines zunächst unerwünschten Effektes beim Läppen dieser Zapfen erfolgen. Obwohl dieser Läppvorgang mit vergleichsweise geringen Drehzahlen durchgeführt wird, wirken sich die gleichen Massenkräftc wie im Motor aus und führen zu erhöhten Anpreßkräften in den Totlagen, so daß die gewünschte Ovalforni 18 erreicht wird. Die lange Achse lieg! hierbei quer zur Hubrichtung.The production of oval crank pins can be made by taking advantage of an initially undesirable effect done when lapping these tenons. Although this lapping process works with comparatively low speeds is carried out, the same mass forces act as in the engine and lead to increased Contact pressure in the dead positions, so that the desired oval shape 18 is achieved. The long axis is lying! here across the stroke direction.

Selbstverständlich kann ein ovales Profil auch mittels Zykloiden-gesteuertem Schleifen im Abwälzverhältnis 1 : 2 oder mit Numerisch-Control-geslcucrtcn Schleifmaschinen erzielt werden.Of course, an oval profile can also be created by means of cycloid-controlled grinding in the rolling ratio 1: 2 or can be achieved with numerically controlled grinding machines.

Die Vorteile von Lagerzapfen mit verbesserter Schmiegung in den Hauptbclastungszonen sind unabhängig von der Taktzahl, dem Verbrennungsverfahren, der Schnclläufigkcit oder der Baugrößc, bei allen Verbrennungsmotoren nutzbar. Sie sind aber auch bei Gleitlagern des allgemeinen Maschinenbaus vorteilhaft, wenn die dargelegten Belasiungskrilcricn vorhanden sind. Diese Ausführungsform hat gegenüber den in der Lagerschale vorgenommenen Sehmiegungsanpassungen den Vorteil, daß sie im ermüdtingsgefahrdeten Teil, in tier Lagerschale nicht mit ungleichen, örtlich überhöhten Wanddicken arbeitel. Ungleiche Wanddikken wirken sich für die Daucrfesiigkeit nachteilig :111s.The advantages of bearing journals with improved osculation in the main load zones are independent on the number of cycles, the combustion process, the fast rate or the size, for all of them Combustion engines usable. But they are also advantageous for plain bearings in general mechanical engineering, if the explanations given are available are. This embodiment has adaptations made to the bending curve in the bearing shell the advantage that they are in the endangered part, in tier bearing shell not with unequal, locally excessive wall thicknesses work. Unequal wall thicknesses have a detrimental effect on the long-term resistance: 111s.

Des weiteren isl ein Lagerzaplen gemäß derIn addition, a stockpiling according to FIG

Erfindung in der Montage gegenüber korrigierter Lagerschalen verwechslungssicher, er besitzt vergleichbar einen wesentlich höheren Verschleißwidersiand im gehärteten Zustand und ist über extreme Ueiriebszusüindc lormbeständiirer.Invention cannot be confused with corrected bearing shells in assembly, it has comparable a much higher resistance to wear and tear hardened condition and is over extreme wear and tear lorm-resistant.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Crankshaft, especially for reciprocating piston engines with main bearing journals and crank journals, characterized in that a main bearing (14) and / or crank pin (16) a shape deviating from the circular shape with different Have surface curvatures, the points of small surface curvatures at circumferential areas the pin (14, 16} are provided on which the gas and Mass forces act in a concentrated manner.

2. Crankshaft according to claim 1, characterized in that that the crank pin (16) is oval is, where the steepness of the strong surface curvature The characteristic long axis of the oval is oriented transversely to the longitudinal direction of the kurhei cheeks (15j is.

3. Crankshaft according to claim 1 or 2 mil ^ o arrangement of a crank axially in front of or behind a main bearing pin, characterized in that the main bearing journals (14) are so non-circular that opposite one of each of the main bearing journals (16) adjacent cams ₂ i in (16) a peripheral part of low surface curvature is arranged.

4. Crankshaft according to claim 3 with adjacent cranks offset from one another by an acute angle, characterized in that the main _J0 bearing journal on the bisector of the angle

'cut peripheral part has a region of low surface curvature.

5. Crankshaft according to one of claims 1 to 4, characterized in that the difference of the Radii of curvature at the point of smallest, compared to the point of greatest surface curvature up to 40% of the mean bearing clearance.