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B E 5 C H R E 1 B U N G:
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Kurbelwelle Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 angegebenen Art.
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Kurbelwellen fVr Brennkraftkolbenmaschinen, insbesondere für Otto-
und Dieselmotoren, bestehen aus metallischen Werkstoffen, insbesondere aus Stahl
und aus Stahlguß. Zur Verringerung der Masse werden Kurbelwellen mit hohlen Lager-und
Hubzapfen verwendet. Sie sind meist als einteilige Konstruktionen ausgeführt.
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Eine Verringerung der rotierenden Masse der Pleuelstangen ist durch
die Verwendung einteiliger Pleuelstangen bei geteilten Kurbelw;ellen möglich (DE-OS
27 13 856).
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Es ist Aufgabe~der Erfindung eine Kurbelwelle mit geringerer Masse
herzustellen, die insbesondere auch die Verwendung einteiliger Pleuelstangen mit
geringerer Masse ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird bei einer Kurbelwelle der eingangs beschriebenen
Art durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird es möglich, einzelne
Lagerzapfen und Hubzapfen zu einer Gesamtkurbelwelle zu kombinieren, so daB ungeteilte
Pleuelstangen verwendet werden können. Darüberhinaus wird cs durch diesen Aufbau
möglich, für verschiedene Teile der Kurbelwelle verschiedene Materialien zu verwenden,
insbesondere solche, die wesentlich leichter sind als Stahl oder Stahlguß.
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Trotzdem erhält man aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbaus die gewünschten
Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften für die Kurbelwelle.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform berühren sich Lagerzapfen und
Hubzapfen längs ebener Flächen. Dadurch werden sowohl Lagerzapfen als auch Hubzapfen
gegen eine Verdrehung in ihrer Lagerung in der Wange gesichert, so daß insgesamt
die Torsionssteifigkeit der Kurbelwelle erhöht wird.
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Vorzugsweise verlaufen die Berührungsflächen zwischen Lagerzapfen
und Hubzapfen parallel zur Wellenachse, es ist jedoch auch möglich, daß diese Berührungsflächen
gegenüber der Wellenachse geneigt sind. Gerade durch die letztgenannte schrägverlaufende
Abflachung von Lagerzapfen und Hubzapfen wird eine gute Anpassung an die auftretenden
Biegemomente erzielt.
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Günstig ist es, wenn die Wickelbandage zusätzlich ein dem Hubzapfen
diametral gegenüberliegendes Gegengewicht umgibt.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine zweite Wickelbinde
vorgesehen sein, welche die erste zumindest bereichsweise im Abstand umgibt und
ein dem Hubzapfen diametral gegenüberliegendes Gegengewicht und gegebenenfalls weitere
Füllstücke umgibt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Lagerzapfen und/oder die Hubzapfen
aus einem Faserverbundwerkstoff bestehen.
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Weiterhin ist es günstig, wenn die Wickelbandagen aus einem Faserverbundwerkstoff
bestehen, dessen Fasern zumindest teilweise in Umfangsrichtung verlaufen.
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Die Ausbildung der Lager- und Hubzapfen und/oder der Wickelbandage
aus faserverstärktem Kunststoff reduziert das Gewicht der Kurbelwelle erheblich,
gegenüber den bisher verwendeten Materialien bis-zu 50 Prozent.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Kunststoff mit Kohlefasern verstärkt
ist.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß die
Wickelbandage über ihren gesamten Umfang längs einer konvex gekrümmten Umfangslinie
um die von ihr zusammengespannten Elemente geführt ist Dadurch ergibt sich eine
bessere Umwicklungsmöglichkeit bei der Herstellung der Kurbelwelle.
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Die nachfolgende Besc:hreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
Figur
1 eine Seitenansicht einer teilweise aufgebrochen dargestellten Kurbelwelle; Figur
2 eine vergrößerte Teilschnittansicht der Kurbelwelle der Figur 1; Figur 3 eine
Schnittansicht längs Linie 3-3 in Figur 2; Figur 4 eine Ansicht ähnlich Figur 2
eines anderen Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle; Figur 5 eine
Ansicht ähnlich Figur 3 eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen
Kurbelwelle und Figur 6 eine Ansicht ähnlich Figur 3 eines weiteren bevorzugten
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle.
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Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Kurbelwelle ist für eine Vierzylinder-Reihenkolbenbrennkraftmaschine
bestimmt und weist dementsprechend fünf axial miteinander fluchtende Wellenzapfen
1 sowie vier exzentrisch zur Wellenachse angeordnete Hubzapfen 2 auf. Die beiden
äußeren Lahgerzapfen 1 tragen metallische Anschlußelemente 3 bzw. 4;C die zur Befestigung
der
Schwungscheibe bzw. zum Antrieb der Steuereinrichtung des Kolbentriebwerkes dienen.
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Eine detaillierte Beschreibung des Aufbaus wird im folgenden anhand
der Figuren 2 und 3 gegeben.
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Aus Figur 2 erkennt man, daß sowohl die Lagerzapfen 1 als auch die
Hubzapfen 2 als rohrförmige Zapfen ausgebildet sind, die aus einem Faserverbundwerkstoff
bestehen, in dem die eingelagerten Fasern 6 verlaufen. Die Fasern können in mehreren
Lagen vorgesehen sein, die unterschiedliche Orientierung haben, beispielsweise in
mehreren sich unter 450 kreuzenden Lagen.
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Die Lagerzapfen und die Hubzapfen überlappen sich in Längsrichtung
der Kurbelwelle. Außerdem ergibt sich in diesem Bereich auch eine Uberlappung senkrecht
zur Kurbelwellenlängsachse. Sowohl die Lagerzapfen als auch die Hubzapfen sind in
diesem Uberlappungsbereich abgeflacht, so daß die parallel zur Kurbelwellenachse
verlaufenden ebenen Abflachungen flächig aneinanderliegen, wie dies aus der Darstellung
der Figur 3 deutlich wird.
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Auf der dem Hubzapfen 2 gegenüberliegenden Seite wird der Lagerzapfen
an seiner unteren Hälfte von einem Gegengewicht 9 umgeben, welches vorzugsweise
aus einem schweren Metall, beispielsweise Grauguß, besteht. In den Zwickel zwischen
Lagerzapfen und Hubzapfen ist von beiden Seiten her ein der Kontur der beiden Zapfen
angepaßtes Füllstück 10 eingesetzt, welches längs einer Trennlinie 11 flächig am
Gegengewicht 9 anliegt.
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Die Außenkontur des Gegengewichts und der Füllstücke ist dabei derart
gewählt, daß sich eine stetige Umfangslinie ergibt,
die durch das
Gegengewicht, das eine Füllstück, den Hubzapfen und das andere Füllstück gebildet
wird (Figur 3).
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Längs dieser Umfangsfläche ist eine Wickelbandage 12 um die Anordnung
herumgelegt, welche die Einzelteile, also den Hubzapfen, den Lagerzapfen, die beiden
Füllstücke und das Gegengewicht fest gegeneinander spannt. Die Wickelbandage besteht
ebenso wie Lager zapfen und Hubzapfen aus einem Faserverbundstoff; die Fasern verlaufen
in Umfangsrichtung.
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In axialer Richtung entspricht die Ausdehnung der Wickelbandage dem
Überlappungsbereich zwischen Lagerzapfen und Hubzapfen und der Breite des Gegengewichtes
(Figur 2). Die Wickelbandage und die von ihr umgebenen Teile hilden zusammen die
Wange 5 der Kurbel.
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Zwischen benachbarten Wangen werden sowohl die Lagerzapfen als auch
die Hubzapfen von einer metallischen Lagerhülse 13 bzw. 14 umgeben.
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Die Füllstücke können aus einem Faserverbundwerkstoff bestehen, beispielsweise
aus spritzgegossenem Verbundwerkstoff oder durch Herausarbeitung aus Gewebelaminaten.
Sie haben lediglich formgebende Funktion, und daher kann ein Faserverbundwerkstoff
geringer Dichte verwendet werden. Sie können auch aus Leichtmetall bestehen.
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Als Material zur Herstellung der Lagerzapfen, der Hubzapfen und der
Wickelbandagen kommen als Faserverbundwerkstoffe insbesondere kohlestoffaserverstärkterKunststoff-
oder glasfaserverstärkter Kunststoff in Frage. Diese Materialien können auch zur
Herstellung der Füllstücke verwendet werden.
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Die anhand der Figuren 2 und 3 -beschriebene Wange umfaßt ein Gegengewicht
9. Lagerzapfen und Hubzapfen können auch in einer Wange miteinander verbunden werden,
die keine Gegengewichte enthält, wie dies bei den Wangen 5a in Figur 1 der Fall
ist. In diesem Falle werden die Füllstücke so geformt, daß sie tangential sowohl
am Umfang des Lagerzapfens als auch am Umfang des Hubzapfen anliegen; diese Einheit
wird dann von einer Wickelbandäge umgeben.
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Das in Figur 4 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich
von dem in Figur 2 lediglich dadurch, daß die Flächen 7 und 8, längs welcher Lagerzapfen
und Hubzapfen flächig aneinanderliegen, nicht parallel zur Achse der Kurbelwelle
verlaufen, sondern gegenüber dieser geneigt. Dadurch läßt sich die Anordnung an
die auftretenden Biegemomente besonders vorteilhaft anpassen.
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Bei dem in Fiqur 6 dargestellten abgewandelten Ausführungsbeispiel
ist der Durchmesser der Hubzapfen im Vergleich zum Durchmesser der Lagerzapfen im
Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 bis 4 kleiner. Außerdem ist
die Aussenkontur der Füllstücke 10 und des Gegengewichts 9 derart gewählt, daß die
Wickelbandage gekrümmt verläuft, geradlinige Stücke also vermieden sind. Dies erleichtert
die Herstellung der Kurbelwelle, insbesondere das Umwickeln im Wangenbereich.
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Im Ausführungsbeispiel der Figur 6 erkennt man auch, daß in die Gegengewichte
Bohrungen zur Feinabstimmung der dynamischen Auswuchtung eingebracht sein können.
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In dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind
Hubzapfen,
Lagerzapfen und zwei Füllstücke von einer Wickelbandage 12 umgeben; insofern ähnelt
der Aufbau der oben beschriebenen Wange 5a. Diese Baueinheit wird von einer zweiten
Wickelbandage 15 umgeben, wobei zwischen der ersten Wickelbandage 12 und der zweiten
Wickelbandage 15 ein Gegengewicht 16 und daran anschließende Füllstücke 17 angeor(3laet
ind. Es ergibt sich somit ein Aufbau mit zwei Wickelbandagen, wobei die innere Wickelbandage
12 zunächst nur der Verbindung von Lagerzapfen und Hubzapfen dient, während die
äußere Wickelbandage 15 zusätzlich die Aufgabe der Halterung des Gegengewichtes
übernimmt. Die Wickelbandage 15 kann ebenso aufgebaut sein wie die Wickelbandage
12, d.h. Si sie kann aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehen, in 1em die
Fasern in Umfangsrichtung verlaufen.
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Alle freien Oberflächen des Faserverbündwerkstoffes der gesamten Kurbelwelle
können - falls erforderlich - mit einer undurchlässigen Schicht überzogen wercin,
die aus einem geeigneten, temperatur- und ölresistenten Kunststoffmaterial bestehen
kann.
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Bei der Herstellung der in Figur 1 dargestellten Kurbelwelle werden
zunächst die Lagerzapfen und die Hubzapfen gefertigt.
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Auf diese Zapfen werden die Anschlußelemente 3 und 4 aufgeschoben
und in der aufgeschobenen Lage fixiert, beispielsweise durch einen geeigneten Kleber.
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Sollen im Triebwerk einteilige Pleuelstangen und geschlossene Lager
der Kugel-alzen- oder Nadellagerbauart verwendet werden, so werden diese auf die
entsprochenden Zapfen geschohen- Zllm Umwickeln der Zapfen mit den Wickelbandagen
werden Laer-und Hubzapfen in einer Vorrichtung fixiert. Insbesondere hohle
Zapfen
bieten dabei eine gute Positionierungsmöglichkeit, in dem sie auf ausgerichtete
Achsen geschoben werden können.
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So können alle Lagerzapfen auf einfache Weise axial fluchtend ausgerichtet
werden.
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Anschließend werden die vorgefertigten Füllstücke mit Klebstoff versehen,
auf den Zapfen fixiert, und die gesamte Baueinheit wird mit einer oder gegebenenfalls
mit zwei Wickelbandagen umwickelt.
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Wie bereits erwåhnt, ermöglicht der erfindungsgemäße Aufbau der KurbelwelleAdie
Verwendung von Materialien, die bisher auf diesem Gebiet unüblich waren, nämlich
von faserverstärkten Verbundwerkstoffen, insbesondere von faserverstärkten Kunststoffen.
Dabei wird gegenüber Kurbelwellen, die in herkömmlicher Weise aus Stahl hergestellt
sind, eine Gewichtseinsparung bis zu ca. 50 Prozent erreicht. Gewichtseinsparungen
ergeben sich auch dadurch, daß einteilige Pleuel verwendet werden können, dadurch
erzielt man Gewichtsersparnisse bis zu 30 Prozent im Vergleich zu Pleuelstangen,
die in herkömmlicher Weise am Pleuelauge geteilt werden müssen.