DE2947699A1

DE2947699A1 - Kurbelwelle mit symmetrischer kroepfung

Info

Publication number: DE2947699A1
Application number: DE19792947699
Authority: DE
Inventors: Herhard Dipl.-Ing. 8500 Nürnberg Deschler; Ing.(grad.) Hans 8501 Langenzenn Gebhardt; Dieter 8500 Nürnberg Wittmann
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 1979-11-27
Filing date: 1979-11-27
Publication date: 1981-07-23
Also published as: IT1134223B; FR2470284B1; DE2947699C2; GB2064719B; IT8025911A0; FR2470284A1; GB2064719A; HU183243B; TR21149A; SE8008341L; JPS5686222A

Description

fo/kr

Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft

Nürnberg, 20. Nov. 1979

Kurbelwelle mit symmetrischer Kröpfung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kurbelwelle mit symmetrischer Kröpfung, bestehend aus Grundlagerzapfen, Pleuellagerzapfen und Kurbelwangen, bei der die Übergänge von den Grundlagerzapfen und von den Pleuellagerzapfen zu den Kurbelwangen durch Übergangsradien gebildet werden, und bei der der Abstand von Mitte Grundlagerzapfen zu Mitte Grundla gerzapfen aus konstruktiven Gründen und die Grundlagerbreiten sowie die Pleuellagerbreiten aus Lagerbelastungsgründen vorbestimmt sind, wobei die Gestalt der Kurbelwelle durch eine optimierte Spannungsverteilung festgelegt wird.

Die Dimensionierung einer Kurbelwelle setzt auch Kenntnisse Über die Spannungsverteilung in den Kröpfungen voraus und e rlaubt in Verbindung mit der Dauerwechselfestigkeit, abhangig vom Werkstoff, Größe und technologischem Einfluß, eine Beurteilung der Sicherheit gegen Dauerbruch. Die Dauerwechselfestigkeit ist mit der Wahl des Werkstoffes, der Art des Veflhmiedens und der Größe der konzipierten Konstruktion vorgegeben. Anders hingegen liegt der Fall mit der Spannungsverteilung, welche über die verschiedenen

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Kröpfungsparameter, wie die Uberdeckung der Grundlagerzapfen mit den Pleuellagerzapfen, die Kurbelwangend'fcke und -Breite sowie die Ubergangsradien an den Pleuel- und Grundlagerzapfen zu den Kurbelwangen wesentlich beeinflußbar ist.

Zur Ermittlung der Spannungsspitzen, die sich in den genannten Ubergangsradien ausbilden, sind inzwischen mehrere empirißch ermittelte Näherungsverfahren bekannt. Es wird in diesem Zusammenhang insbesondere auf die MTZ 23 (1962) 12, auf die MTZ 29 (1968) 3, auf das Porschungsheft 49/1965 der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschine und auf den Forschungsbericht der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen, Heft 130 (1972) hingewiesen.

All den darin beschriebenen Verfahren liegt die Ermittlung der Formfaktoren für Biegung und Torsion als Ausdruck für das Verhältnis von Spitzenspannung zur Nennspannung zugrunde. &^^nenn ^bzw' ^m^^nenn' ^Ab" hängig vom Jeweiligen Verfahren wird die Nennspannung entweder auf den Pleuellagerzapfen oder auf den Kurbelwangenquerschnitt bezogen. Gemäß dem im Forschungsbericht - Heft 130 - beschriebenen Verfahren wird die Spannungsverteilung in Kröpfungen von sehne Häufenden Motoren, gekennzeichnet durch dünne Kurbelwangen, kleine Kolbenhübe und damit große Zapfenüberdeckungen an einer großen Zahl von Modellen untersucht. Es wurde u.a. auch der Einfluß von Bohrungen im Pleuellager- und im Haupt» lagerzapfen sowie der Einfluß der Abschrägung an den

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Kurbelwangen auf die Spannungsspitzen ermittelt. Erstmals erfaßt dieses Verfahren auch die Spannungen in den Orundlagerzapfenübergängen und berücksichtigt auch die Belastungsarten wie reine Biegung, Biegung mit Querkraft und Torsion. Das Forschungsergebnis stellt den neuesten Stand der Technik in bezug auf die Spannungsermittlung in Kurbelwellenkröpfungen dar und soll daher als Grundlage für die vorliegende Erfindung dienen.

Als Einflußparameter wurden dabei der Pleuelzapfendurchmesser, die ZapfenUberdeekung, die Kurbelwangenbreite und -dicke sowie die Übergangsradien von Pleuellagerzapfen und Grundlagerzapfen zur Kurbelwange berücksichtigt.

Die Formzahlen ermitteln sich durch multiplikative Verknüpfung aus Funktionen von diesen, auf den Pleuelzapfendurchmesser bezogenen Parametern, wobei die Nennspannung auf den Kurbelwangenquerschnitt bezogen ist.

Bei der Dimensionierung einer Kurbelwelle ist der Zylinderabstand durch die ZyIInderbohrung und den Kolbenhub, welche maßgebend für die erzielbare Motorleistung sind, vorgegeben. Weiter ergeben sich die nötige Pleuellagerbreite bp und die Grundlagerbreite b_Q aus der zu erwartenden Lagerbelastung. Schließlich lassen sich die Anlaufbunde a_p und a_Q am Pleuellagerzapf«5n und am Orundlagerzapfen in Abhängigkeit vom gewünschten Bearbeitungszustand der Kurbelwange festlegen. Dem Konstrukteur stehen also die genannten Einflußparameter zur Verfügung. Unabhängig vom Zylinderabstand können dann noch der Pleuelzapfendurchmesser dp, die Zapfenüberdeckung s und die Kurbelwangenbreite b gewählt werden, wobei eine Vergrößerung dieser Werte immer mit einer Verringerung der absoluten Spannungen verbunden 1st. Es muß noch erwähnt werden, daß die Größe des Pleuelzapfendurchmessers d_p durch die Forderung

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Jl-

der Einbaubarkeit der Pleuelstange durch die Zylinderbohrung begrenzt ist.

Im Gegensatz zu den drei Werten d_p„ s und b sind die verbleibenden Parameter, nämlich die Ubergangsradien r_ am Pleuellagerzapfen, die Ubergangsradien r_Q am Grundlagerzapfen und die Kurbelwangendioke w abhängig von dem vorgegebenen Zylinderabstand bzw. von der Länge 1, die von Mitte Grundlagerzapfen bis Mitte Grundlagerzapfen reicht sowie von den festgelegten Lagerbreiten b_p und b_. Es verbleibt also eine Länge Ic » 1 - b_ß - b_p - 2 . (a_Q + a_p). Gleichzeitig errechnet sich die Länge k = 2 . (w + r_p + r_Q).

Anhand der bekannten Punktionen zur Formzahl- und Spannungsermittlung ist zu ersehen, daß nur jeweils eine Vergrößerung der Übergangsradien r_p und r sowie der Kurbelwangendicke w einen Abbau der Spannungsspitzen zur Folge hat. Da die drei Parameter jedoch durch die Länge k fest miteinander gekoppelt sind, bedeutet die Vergrößerung eines dieser Parameter gleichzeitig die Verringerung der anderen,: Dies ist der Grund, d*ß rile Va.stiepunsr.der drei Größen unter dem Gesichtspunkt der Spannungsminimierung aus dem bekannten Stand der Technik nicht hervorgeht.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei der Auslegung einer Kurbelwelle der eingangs beschriebenen Art unabhängig von den restlichen Parametern eine Spannungsminimierung In den Kröpfungen nur durch entsprechende Wahl der Kurbelwangendicke und der Übergangsradien am Pleuellagerzapfen und am Grundlagerzapfen zu erreichen.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein fester Zusammenhang von den Übergangsradien des Pleuellagerzapfens und des Grundlagerzapfens zur Wanddicke gegeben wird, darstellbar durch eine Funktion aus den Größen r , r

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und w, die proportional der Spannung Im Ubergangeradlu· dee Pleuellagerzapfens 1st, wobei das Verhältnis der Zapfenüberdeckung zum Pleuelzapfendurchmesser größer oder höchstene gleich 0,15 und kleiner oder höchstens gleich 0,26 sein darf.

Erfindungsgemäß ergibt sich die Funktion aus den drei Orößen Kurbelwangendicke, Obergangsradius des Pleuellagerzapfens und Übergangsradius des Orundlagerzapfens ausffr^)-£"-''*"\fe/a *«.W'+'*'*ⁱJ*r_p-*<***' wobei b_Q die Lagerbreite des Orundlagerzapfene bedeutet.

Oa die Torsionsbelastungen im Triebwerk der Auslegung noch nicht genau erfaßbar sind und durch Drehschwingungedämpfer beeinflußt werden können, ist die Erfindung auf die Biegebelastung beschränkt, wobei allerdings der bei Motorbetrieb auftretende Lastfall"Biegebelastung und Querkraft¹¹ berücksichtigt ist. Dieses Vorgehen erscheint sinnvoll, da Kurbelwellenschäden, wie die Erfahrung gezeigt hat, in den meisten Fällen auf BiegebrUohe zurückzuführen sind.

Eine optimale Spannungsverteilung ist allein schon deshalb wichtig, well bei den heutigen Hochleistungs-Fahrzeugmotoren die Leichtbauwelse und damit möglichst kleine Abmessungen im Vordergrund steuin. Dabei ist es wesentlioh, die genannten drei Parameter r_p, r„ und w unabhängig von den anderen Parametern zu machen, weil deren Einfluß auf die auftretenden Spannungen eindeutig 1st.

Wie aus den bekannten Funktionen zu erkennen ist, besteht zwischen der Kurbelwangenbreite b und den drei zu optimierenden Größen kein Zusammenhang. Im Gegensatz dazu besteht

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jedoch eine Abhängigkeit zwischen der Kurbelwangendicke w und der Zapfenüberdeckung s, da beide als bezogene Größen w* = w/d_p und s* = s/d_p in einer Doppelfunktion f (s*, w* ) auftreten. Um den Einfluß der KurbeIwangendicke w auf die Doppelfunktion f (s*, w*) gering zu halten, wird s* bzw. s/d_p wie erwähnt begrenzt. Im übrigen wird die Spannung t/ deshalb im Übergangsradius r_p des Pleuellagerzapfens ermittelt, weil dies die Stelle mit den höchsten Zug» Spannungen ist.

Für die beschriebene Minimierung der Spannung ö* _p sind folgende Beziehungen zusätzlich erforderlich:

V¹G ^{a c}·

r_p ist dabei wie bereits mehrmals erwähnt, der Übergangeradius am Pleuellagerzapfen und r_ß der Übergangsradius am Grundlagerzapfen, c stellt eine in gewissen Grenzen frei wählbare Größe dar und liegt etwa zwischen 1,0 und 1,9. Durch sie ist eine Gewichtung zwischen der maximalen Zugspannung im Übergangsradius des Pleullagerzapfens und der maximalen Druckspannung im Übergangsradius des Grundlagerzapfens möglich.

Weiter ergibt sich aus der anfangs erwähnten Länge k folgender Zusammenhang hinsichtlich der Kolbenwangendicke w:

w = -j- - r_p (1 + l/c)

Damit läßt sich für jede gewählte Größe c der optimale Übergangsradius r_p am Pleuellagerzapfen in Abhängigkeit von der Länge k bestimmen. Auf Grund der vorbeschriebenen Beziehungen liegen damit auch die Kurbelwangendicke w und der Übergangsradius r_ am Grundlagerzapfen fest.

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Setzt man w und r_Q ein und leitet nach r_p ab, so erhält man damit immer eine optimale Spannungsverteilung und die drei Qrößen lassen sich aus der Gleichung für r_p bestimmen.

Der Einfachheit halber seien drei Faktoren a., a« und a,

JL Λ "^

angenommen: «- _f - ^p _t v- <x^ ry._c/, _t + ^j * U

kr O₁W

Beträgt die Größe c = I, so ergibt sich als Lösung

Ist c größer als I, ergibt sich ein optimaler Übergangsradius am Pleuellagerzapfen von

Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Pig. 1 einen Teil einer Kurbelwelle von der Seite gesehen, Pig. 2 einen Schnitt II-II durch die Kurbelwelle nach Fig. I,

Fig. 3 und 4 Diagramme über die Änderung der Spannungsverhältnisse,

Pig. 5 und 6 Diagramme über optimale Übergangsradien vom Pleuellagerzapfen bei einer bestimmten Größe c.

Der Fig. 1 sind vor allem die verwendeten Bezeichnungen für die Abmessungen der Kurbelwelle zu entnehmen. Der dargestellte Teil der Kurbelwelle besteht aus zwei halben Grund -lagerzapfen I, einem Pleuellagerzapfen 2 und zwei Kurbelwangen 3. Die Grundlagerzapfen 1 weisen einen Durchmesser cL

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-H-

und Übergangsradien r„ auf, die in an den Kurbelwangen ~*> angebrachte Anlaufbunde 4 mit einer Stärke a_Q enden. Die Lagerbreite des Grundlagerzapfens 1 ist mit b„ bezeichnet.

Ci

Der Pleuel lagerzapfen 2 seinerseits hat einen Durchmesser d_p und seine Enden münden durch Übergangsradien r_p in ebenfalls an den Kurbelwangen 3 vorgesehene, eine Breite a_p aufweisende Anlaufbunde 5. Die Lagerbreite des Pleuellagerzapfens ist mit b_p bezeichnet. Der Abstand von der Mitte eines Grundlagerzapfens 1 bis zur Mitte des nächsten Grundlagerzapfens ist mit 1 angegeben. Die für die vorliegende Erfindung maßgebende, 1n F1g. 1 nicht eingetragene Länge k gilt k = 1 - b_Q - b_p - 2 (a_Q + a_p) =2 (w + r_p + r_G), wobei

mit w die Kurbelwangendicke gemeint 1st. Schließlich errechnet sich k auch aus: k = 2 . (w + r_p + r_). Gemäß Fig. P ist die Kurbelwangenbreite mit b bezelchnet

Das Diagramm nach Fig. 3 zeigt das Spannungsverhältnis von Grund- zu Pleuellagerzapfenübergang. Auf der Abszisse ist die frei wählbare Größe c aufgetragen, die sich aus dem Verhältnis "übergangsradlus des Pleuel lagerzapfens zu Übergangs rad ins des Grundlagerzapfens" zusammensetzt. Auf der Ordinate 7 ist das Verhältnis "Druckspannung im Übergangsradius des Grundlagerzapfens zu Zugspannung im Übergangsradius des Pleuellagerzapfens", also - ö : £> _p dargestellt. Aus der Linie R läßt sich erkennen, daß das Verhä
wird.

Verhältnis - G '^p ansteigt, je höher der Wert gewählt

In Fig. i\ ist die Verringerung der Spannung im übergangsradius r_p des Pleuellagerzapfens 2 veranschaulicht, in dem auf der Abszisse 9 wieder der Wert c und auf der Ordinate IO die Verringerung der Spannung <s' 1m Übergangsradius r_p 1n Prozent aufgetragen sind.Es ergibt, sich eine Kurve 11. Aus den Figuren geht klar hervor,

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daß die Zugspannung <o _p Im Übergangsradius r_p vom Pleuellagerzapfen ? mit steigendem Wert c zu Lasten der Druckspannung - 6 im Ubergangsradius r_Q vom Grundlagerzapfen abnimmt.

Aus der bereits erwähnten Länge k ergibt sich nun folgender Zusammenhang:

w = k/2 - r_p . (1 + l/c).

Damit läßt sich für /jeden gewählten Wert c der optimale Übergangsradius r_p vom Pleuellagerzapfen 2 in Abhängigkeit von der Länge k bestimmen. Auf Grund dieser Beziehungen liegen dann auch die Wangendicke w und der Übergangsradius r~ vom Grundlagerzapfen 1 fest.

Die Fig. ^l, und 6 zeigen beispielsweise optimale Übergangsradien r_p von Pleuellagerzapfen 2, und zwar Pig. 5 bei einem gewählten Wert c = 1,0 und Fig. 6 bei einem Wert c = 1,1. Auf der Abszisse 12 ist dabei jeweils die Länge k In mm und auf der Ordinate 13 der Übergangsradius r_p ebenfalls in mm aufgetragen. Die jeweils obere Linie \>\, lh' stellt den optimalen Ubergangsradius r_p dar. während die unteren Linien 15. 15' den minimalsten Übergangsradius r_p anzeigt. Die Bandbreite zwischen den beiden Linien 14, 15 bzw. lV , 15' gibt dem Konstrukteur die Möglichkeit, bei einem maximalen Spannungszuwachs von nur 2 % gegenüber dem Optimum eine Verringerung der Grundlagerbelastung auf Grund kleinerer Pleuelzapfenbreite bestehend aus b_p + 2 r_p zu erzielen, d.h. es er- ■, folgt eine Verringerung der rotierenden Massen. '

Mit der Wahl der Größen w, r_p und r_Q ist also eine opti-

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male Spannungsverteilung sichergestellt. Zur Erreichung der nötigen Sicherheit gegen Dauerbruch kann das absolute Spannungsniveau mit den restlichen Parametern wie Zapfendurchmesser dp, d„, der Zapfenüberdeckung s und der Kurbelwangenbreite b leicht beeinflußt werden. Damit 1st ein Weg gegeben, das Triebwerk im Entwurfszustand unter dem Gesichtspunkt des Leichtbaues gezielt zu gestalten. Abschließend sei noch erwähnt, daß die optimalen Obergangsradien, wie sie in den Figuren 5 und 6 dargestellt sind, selbstverständlich auf die gleiche Weise für al ie wählbaren "c"-Werte, also etwa bis c = 1,9 ermittelt werden können.

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Claims

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Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg
Aktiengesellschaft

Nürnberg, 20. Nov. 19Y9

Patentansprüche

Kurbelwelle mit symmetrischer Kröpfung, bestehend aus Grundlagerzapfen, Pleuellagerzapfen und Kurbelwangen_/ bei der die übergänge von den Grundlagerzapfen und von den Pleuellagerzapfen zu den Kurbelwangen durch Übergangsradien gebildet werden, und bei der der Abstand von Mitte Grundlagerzapfen zu Mitte Grundlagerzapfen aus konstruktiven Gründen und die Grundlagerbreiten sowie die Pleuellagerbreiten aus LagerbelastungsgrUnden vorbestimmt sind, wobei die Gestalt der Kurbelwelle durch eine optimierte Spannungsverteilung festgelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein fester Zusammenhang von den Übergangsradien (r_p) des Pleuellagerzapfens und (r„) des Grundlagerzapfens zur Wangendicke (w) gegeben wird, darstellbar durch eine Funktion (f) aus den Größen r_p, r„ und w, die proportional der Spannung im Übergangsradius des Pleuellagerzapfens ist, wobei das Verhältnis der Zapfenüberdeckung (s) zum Pleuelzapfendurchmesser (dp) größer oder höchstens gleich 0,1*5 und kleiner oder höchstens gleich 0,26 sein darf (0,14 'S s/d_p = 0,26) .

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ORIGINAL INSPECTED

Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion (f) aus den drei Größen Kurbelwangendicke (W), Ubergangsradius (r_p) des Pleuellagerzapfens (2) und Ubergangsradius (r_) des Grundlagerzapfens (I) sich ergibt aus

wobei (b_Q) die Lagerbreite des Grundlagerzapfens (l) bedeutet.

Kurbelwelle nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß über eine in Grenzen frei wählbare Größe (c), welche das Verhältnis des Übergangsradius (r_p) des Pleuellagerzapfens (2) zum Ubergangsradius (r_Q) des . Grundlagerzapfens (l) darstellt, eine Gewientung zwischen den Spannungen im Ubergangsradius (r_p) und dem Ubergangsradius (r_Q) und damit die Ermittlung eines kleinen Pleuelzapfendurchmessers (d_p) ermöglicht wird (c - r / r )

Kurbelwelle nach Anspruch }, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis (c) des Ubergangsradius (r_p) des Pleuellagerzapfens (2) zum Ubergangsradius (r«) des Grundlagerzapfens (I) zwischen 1,0 und 1,9 liegt.

Kurbelwelle nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich bei jedem Verhältnis (c) die drei zur Spannungsoptimierung benötigten Größen Übergangsradius (r_p) des Pleuellagerzapfens (2), Übergangsradius (r_Q) des Grundlagerzapfens (I) und Kurbelwangendicke (w) durch die Ableitung nach (r_p) exakt bestimmen lassen.

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6. Kurbelwelle nach den Ansprüchen 1 bis 5, bei der eine Verringerung der Pleuelzapfenbreite zur Verringerung der rotierenden Massen und damit Entlastung der Grundlager angestrebt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite des Ubergangsradius (r_p) des Pleuellagerzapfens (2) so festgelegt wird, daß eine Spannungsüberhöhung im Ubergangsradius (r_p) des Pleuellagerzapfens (2) von nur 2 % zugelassen wird.

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