DE3011358A1

DE3011358A1 - Kurbelwelle fuer hubkolbenmaschinen und verfahren zum herstellen einer solchen kurbelwelle

Info

Publication number: DE3011358A1
Application number: DE19803011358
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr.-Ing. 8074 Gaimersheim Schäper
Original assignee: Audi NSU Auto Union AG; Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1980-03-25
Filing date: 1980-03-25
Publication date: 1981-10-01
Also published as: DE3011358C2

Description

Kurbelwelle für Hubkolbenmaschinen und Ver-
fahren zum Herstellen einer solchen Kurbelwelle Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle für Hubkolbenmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Kurbelwelle.
Zur Gewichtserleichterung von Hubkolbenmaschinen, insbesondere von Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen, werden in zunehmendem Maße Maschinenteile aus faserverstärktem Kunststoff eingesetzt.
Bei bewegten Teilen ist ein zusätzlicher wesentlicher Vorteil in der Reduzierung deren Trägheitsmasse zu sehen. Es wurde deshalb bereits vorgeschlagen, die Pleuel sowie die Stößelstangen für die Ventilsteuerung von Brennkraftmaschinen aus faserverstärktem Kunststoff herzustellen.
Bei der Herstellung faserverstärkter Kunststoffteile werden z. B.
Glas-, Kohlenstoff=, Aramid-, Stahl- und/oder Borfasern zusammen mit einem Matrixmaterial aus Kunstharz, z.B. Polyester-, Polimid-, Epoxid- oder Phenolharz zu einer festen Struktur verarbeitet.
Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsgemäße Kurbelwelle für Hubkolbenmaschinen so auszubilden, daß sie ein sehr geringes Gewicht aufweist, den rauhen Betriebsbedingungen standhält und kostengünstig herzustellen ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines geeigneten Verfahrens zur Herstellung einer derartigen Kurbelwelle.
Die erstgenannte Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Wie sich überraschend herausgestellt hat, kann die erfindungsgemäß aufgebaute Kurbelwelle den rauhen Betriebsbedingungen einer Hubkolbenmaschine standhalten. Eine hohe Steifigkeit der Kurbelwelle kann durch die Einbindung eines Anteils gerichteter Fasern in das Fasergelege bzw. durch Maschenorientierungen erzielt werden. Konsequenterweise sollte die erfindungsgemäße Kurbelwelle mit Pleueln und ggf. auch mit Kolben aus Kunststoff zu einer besonders leichten Triebwerkseinheit mit geringen rotierenden und osszillierenden Massen vereinigt werden.
Die Lagerelemente können beispielsweise aus einer durch Plasmaspritzen aufgetragenen verschleiß festen Schicht wie Nickel- Silizium-Karbid gebildet sein, bevorzugt wird jedoch eine Ausbildung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 2 vorgeschlagen. Die vorzugsweise aus Metall gebildeten Lagerringe können formschlüssig und/oder durch Verkleben auf der Kurbelwelle befestigt sein.
Durch das Merkmal des Patentanspruches 3 wird eine hohe Drehsteifigkeit bzw. die Übertragung hoher Drehmomente von der Kurbelwelle auf ein anzutreibendes Aggregat (z.B. Getriebe) oder umgekehrt erreicht.
Die Kraftübertragung der Kurbelwelle kann vorteilhaft nach den Merkmalen des Patentanspruches 4 erfolgen. Die Krafteinleitungselemente können aus Metall oder einem hochfesten Kunststoff bestehen und an der Kurbelwelle durch Formschluß, Reibschluß und/oder durch Verkleben befestigt sein.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen der Kurbelwelle ist dem Patentanspruch 5 entnehmbar. Dadurch wird eine relativ schnelle und genaue Fertigung ermöglicht, welche insbesondere für eine Massenfertigung geeignet ist. Durch das Aufweiten des schlauchförmigen Kernes ist ein fester Sitz der Lagerringe und eine formgenaue Außenkontur der Kurbelwelle gewährleistet. Das Fasergelege kann im Wickelverfahren oder in Form eines Maschengebildes erstellt werden.
Vorzugsweise werden die Krafteinleitungselemente ebenfalls bereits am Vorformling montiert, so daß deren Ausrichtung und Befestigung zusammen mit den Lagerringen in einem Arbeitsganj erfolgt.
Durch die Merkmale des Patentanspruches 6 wird das Aufbringen des Fasergeleges, der Lagerringe und ggf. der Krafteinleitungselemente wesentlich vereinfacht. Vor der Positionierung der Lagerringe wird der Stützkern aus dem schlauchförmigen Kern herausgezogen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles entnehmbar. Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 eine schematisch im Längsschnitt dargestellte, erfindungsgemäße Kurbelwelle, Fig. 2 die Kurbelwelle während deren Herstellung mit aufgesetzten Lagerringen in einer Positioniervorrichtung, Fig. 3 die Kurbelwelle eingelegt in eine ihre Außenform bestimmende Form, Fig. 4 ein Abschnitt der Kurbelwelle gemäß Fig. 1 in raumbildlicher Darstellung, teilweise aufgebrochen und Fig. 5 ein gleicher Abschnitt mit einer abweichenden Ausführung des Fasergeleges.
Die Figur 1 zeigt schematisch eine Kurbelwelle 2 für eine nicht dargestellte Zwei-Zylinder-Hubkolben-Brennkraftma'# chine. Die Kurbelwelle 2 setzt sich aus einem schlauchförmigen Kern 4 aus PVC und einem den Kern 4 umhüllenden, tragenden Verbundwerkstoff 6 zusammen.
Der Verbundwerkstoff 6 besteht aus einem Fasergelege (siehe Figur 4) aus Glasfasern 8, welche in eine Epoxidharzschicht 10 eingebettet sind.
An dem Verbundwerkstoff 6 sind Lagerringe 12, 14 aus Stahl für die Lagerung einteiliger Pleuel 16, 18 sowie Lagerringe 20, 22, 24 ebenfalls aus Stahl für die Lagerung der Kurbelwelle 2 befestigt. Das den Abtrieb bildende Ende 26 der Kurbelwelle 2 ist trichterförmig erweitert und trägt als Krafteinleitungselemente zwei Konusringe 28, 30, zwischen denen das Ende 26 durch Verkleben befestigt ist.
Weitere Krafteinleitungselemente in Form von Konusringen 32, 34 umfassen das andere Ende der Kurbelwelle 2 und sind mit diesem ebenfalls fest verklebt.
Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Kurbelwelle 2 kann unter Bezugnahme auf die Figur 2 und 3 wie folgt verfahren werden: Es wird ein gerader, fester Stützkern 36 erstellt, dessen Länge etwa der Länge der Kurbelwelle 2 in gestreckter Form (ungekröpft) entspricht. Das eine Ende des Stützkerns 36 ist entsprechend der trichterförmigen Erweiterung am Ende 26 der fertigen Kurbelwelle 2 mit vergrößertem Durchmesser ausgebildet.
Auf diesen Stützkern 36 wird PVC augespritzt, mittels einer Ringdüse durch Extrusion aufgetragen oder ein bereits hergestellter Schlauch aus PVC aufgezogen, welcher den Kern 4 der Kurbelwelle 2 bildet. Anschließend wird der Verbundwerkstoff 6 auf den Kern 4 aufgebracht. Das Fasergelege des Verbundwerkstoffes wird als ein elastisches Maschengebilde nach Art eines Strumpfes aufgebracht, welches - wie in Figur 4 ersichtlich - als ein Geflecht oder wie in der Ausführungsform gemäß Figur 5 als ein Gestrick erstellt wird.
Eine hohe Steifigkeit der Kurbelwelle kann durch die Ausrichtung der Maschenform zur Spannungsverteilung in der Kurbelwelle so wie durch das zusätzliche Einlagern in Kraftflußrichtung gerichteter Verstärkungsfasern 38, 38' erzielt werden. Das Fasergelege bzw.
die Glasfasern 8 sind mit Epoxidharz getränkt, so daß ein aus Fasergelege und Epoxidharz gebildeter, homogener Verbundwerkstoff geschaffen wird. Es versteht sich, daß mehrere Fasergelege in Abstimmung auf die spätere Belastung der Kurbelwelle sowie auf deren Konfiguration (Verdickungen, Verstärkungen) aufgebracht sind.
Auf den Verbundwerkstoff 6 werden anschließend die Lagerringe 20, 12, 22, 14, 24 in der angegebenen Reihenfolge aufgeschoben, wobei die Lagerringe 12, 14 bereits mit den einteiligen Pleueln 16, 18 vormontiert sind. Die Lagerringe können an ihren Innenflächen mit Erhebungen bzw. rotationsunsymmetrisch ausgebildet sein, damit eine gut haltbare Verbindung mit dem Verbundwerkstoff 6 erzielt wird.
Anschließend wird der so gebildete VOrformling (Fig. 2) in einer Positioniervorrichtung gehalten, deren Spannelemente 40a bis g die Lagerringe 20, 22, 24 sowie die Pleuel 16, 18 und die Enden des Stützkernes 36 festspannen. Durch einen über dem Spannelement 40a angeordneten Ringschieber 42 wird das eine Ende des Vorformlings über den aufgesteckten Konusring 28 umgestülpt.
So-dann wird der Stützkern 36 durch den Ringschieber 42 hindurch aus dem Vorformling herausgezogen. Um das Herausziehen zu ermöglichen, sind im Stützkern 36 Kanäle 44, 46 vorgesehen, die zu Bereichen des schlauchförmigen Kernes 4 offen sind und über die durch Zuführen eines Fluides der Kern 4 geringfügig aufgeweitet werden kann.
Dann werden die Spannelemente 40c und 40e im Pfeilrichtung der Fig. 2 entsprechend der Kurbelwellen-Kröpfung verfahren, wobei eine vorteilhafte Streckung und Ausrichtung der Fasern des Fasergeleges auftritt. Es versteht sich, daß die Elastizität des Fasergeleges sowie die Länge der Verstärkungsfasern 38 auf das Kröpfungsmaß abgestimmt bzw. dementsprechend bemessen sein müssen.
Nach dem Herstellen der Kurbelwellen-Kröpfung und nach dem Anbringen der restlichen Krafteinleitungselemente bzw Konusringe 30, 32, 34 wird der Vorformling in eine Form 46 (Fig. 3) eingelegt, die nach Art eines der Außenform der Kurbelwelle 2 entsprechenden Gesenkes diesen umschließt. Mittels zweier Schieber 48, 50 werden die Konusringe 28, 30, 32, 34 fest an die Enden der Kurbelwelle 2 gespannt. Über einen Kanal 52 im Schieber 48 wird mit Überdruck ein Fluid zugeführt, welches den schlauchförmigen Kern 4 aufweitet und aufgrund der die Kurbelwelle 2 umschließenden Form 46 eine definierte Außenform sowie eine homogene Verbindung zwischen dem Verbundwerkstoff und den Lagerringen bzw. den Krafteinleitungselementen gewährleistet.
Schließlich wird die Kurbelwelle 2 bzw. der Verbundwerkstoff 6 durch Wärmezufuhr oder durch Reaktionsmittel ausgehärtet, wobei zugleich die Krafteinleitungselemente und die Lagerelemente haltbar verklebt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist lediglich anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben. Das Fasergelege kann auch durch Umwickeln mit Bändern oder nach einer Häkel- oder Wirktechnik erstellt werden. Die Belastbarkeit der Kurbelwelle kann durch die Maschenform, durch das Strecken der Maschen sowie durch zusätzliches Einlagern gerichteter Fasern bestimmt werden. Anstelle von Glasfasern können auch andere der-eingangs erwähnten Fasern sowie andere aushärtbare Kunstharze Anwendung finden.
Dies trifft sinngemäß auch für den schlauchförmigen Kern 4 zu.
Es versteht sich, daß die Kurbelwelle auch ohne Verwendung eines Stützkernes gefertigt werden kann, indem man den schlauchförmigen Kern 4 bereits während des Aufbringens des Fasergeleges mit einem Fluid vorspannt oder begrenzt tragfähig ausbildet. Dabei können die Kurbelwellen-Kröpfungen auch bereits durch Verformen des schlauchförmigen Kernes 4 hergestellt und der Verbundwerkstoff anschließend aufgebracht werden.

Claims

Kurbelwelle für Hubkolbenmaschinen und Verfahren zum Herstellen einer solchen Kurbelwelle Patentansprüche Kurbelwelle für Kolbenmaschinen, insbesondere für Hubkolben-Brennkraftmaschinen, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h den folgenden Aufbau: a) ein schlauchförmiger Kern (4) aus elastomeren Kunststoff, b) ein auf den Kern (4) aufgebrachter Verbundwerkstoff (6), der aus einem Fasergelege und einem aushärtbaren Kunstharz gebildet ist, c) auf dem Verbundwerkstoff (6) festgelegte Lagerelemente (Lagerringe 12, 14, 20, 22, 24) für die Haupt- und Pleuellager und d) mit den Kurbelwellen-Enden verbundene Krafteinleitungselemente (Konusringe 28, 30, 32, 34).
2. Kurbelwelle nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Lagerelemente durch separate Lagerringe gebildet sind.
3. Kurbelwelle nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k é n n -z e i c h n e t , daß zumindest ein Kurbelwellen-Ende (26) trichterförmig erweitert ist.
4. Kurbelwelle nach den Ansprüchen 1 und 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Krafteinleitungselemente durch jeweils zwei ringförmige Teile (Konusringe 28, 30, 32, 34) gebildet sind, zwischen-denen die Kurbelwellen-Enden angeordnet sind.
5. Verfahren zum Herstellen einer Kurbelwelle nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die folgenden Merkmale: a) auf einen schlauchförmigen Kern (4) wird ein Verbundwerkstoff (6) aufgebracht, b) auf den Verbundwerkstoff werden Lagerelemente (12, 14, 20, 22, 24) ggf. zusammen mit einteiligen Pleueln aufgebracht, c) der so gebildete Vorformling wird in eine der Außenform der Kurbelwelle {2) entsprechende Form eingebracht, d) in den schlauchförmigen Kern (4) wird ein den Kern aufweitendes Fluid eingepreßt und e) die Kurbelwelle (2) wird anschließend ausgehärtet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die Merkmale, daß a) der schlauchförmige Kern auf einen geraden Stützkern (36) aufgebracht wird, b) anschließend der Verbundwerkstoff (6) und ggf. die Lagerelemente aufgesteckt werden, c) nach dem Entfernen des Stützkernes (36) die Kurbelwellen-Kröpfungen hergestellt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Krafteinleitungselemente (Konusringe 28, 30, 32, 34) bereits am Vorformling montiert und während des Aushärtens der Kurbelwelle (2) mit dieser verklebt werden.