DE3438805C2

DE3438805C2 -

Info

Publication number: DE3438805C2
Application number: DE3438805A
Authority: DE
Inventors: Eiji Nagoya Aichi Jp Ito; Susumu Okazaki Aichi Jp Fukazawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1983-05-17
Filing date: 1984-10-23
Publication date: 1988-03-10
Also published as: JPS59212554A; DE3438805A1; JPH036383B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine axialsymmetrische Kurbelwelle für einen 6-Zylinder-Motor mit V-Anordnung der Zylinder nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.The invention relates to an axially symmetrical Crankshaft for a 6-cylinder engine with V arrangement the cylinder according to the preamble of the claim.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Kurbelwelle mit einem ersten, zweiten, dritten und vierten Hauptlagerzapfen 21, 22, 23 und 24 - gesehen von links nach rechts- für die jeweils ein Hauptlager in einem Zylinderblock vorgesehen ist. Zur Lagerung der Kolbenstangen sind Kurbelzapfen 41, 42, 43, 44, 45 und 46 vorgesehen, die zwischen benachbarten Lagerzapfen mittels Kurbelwangen 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 und 39 einstückig in die Kurbelwelle eingegliedert sind. Fig. 1 shows schematically a crankshaft with a first, second, third and fourth main bearing journals 21 , 22 , 23 and 24 - seen from left to right - for each of which a main bearing is provided in a cylinder block. To support the piston rods, crank pins 41 , 42 , 43 , 44 , 45 and 46 are provided, which are integrally integrated into the crankshaft between adjacent bearing pins by means of crank webs 31 , 32 , 33 , 34 , 35 , 36 , 37 , 38 and 39 .

Am rückwärtigen Teil des vierten Hauptlagerzapfens 24, der das Ende der Kurbelwelle bildet, ist ein Befestigungs flansch zum Anbau eines Schwungrades 5 einstückig ausge staltet.At the rear part of the fourth main journal 24 , which forms the end of the crankshaft, a mounting flange for mounting a flywheel 5 is designed in one piece.

Die Neuner-Ausgleichanordnung ist schematisch in der Stirn ansicht oder in Axialrichtung der Kurbelwelle in Fig. 2 gezeigt. Es kommen neun Gegengewichte zur Anwendung.The nine-compensation arrangement is shown schematically in the front view or in the axial direction of the crankshaft in Fig. 2. Nine counterweights are used.

Die Masse jedes Gegengewichts, die, wie Fig. 1 zeigt, vorgesehen sind, um die von der drehenden sowie der hin und hergehenden Masse erzeugten Massenkräfte auszugleichen, ist durch den Vektor einer Trägheitskraft in Fig. 2 dar gestellt. Das erste und das neunte Gegengewicht 61 bzw. 69, deren Vektoren zueinander entgegengerichtet sind, sind miteinander ausgeglichen. Das zweite, fünfte und achte Gegengewicht 62, 65 und 68 sind so angeordnet, daß sich ihre Kraftvektoren unter 120° schneiden; auch sind sie miteinander ausgeglichen, wozu die Bemessung beiträgt. Ferner sind das dritte und das sechste Gegengewicht 63 und 66 sowie das vierte und das siebte Gegengewicht 64 und 67 gleichgewichtig axialsymmetrisch zueinander in bezug auf die Kurbelwange 35 so angeordnet, daß sich das dritte und das siebte Gegengewicht 63, 67 unter 60° sowie das vierte und das sechste Gegengewicht 64, 66 ebenfalls unter 60° schneiden; deshalb sind die Gegengewichtspaare 63, 66 und 64, 67 zueinander ausgeglichen. Somit wird das Gleichgewicht zwischen einander entsprechenden Gegen gewichten zuverlässig beibehalten. The mass of each counterweight, which, as shown in FIG. 1, is provided to compensate for the mass forces generated by the rotating and the reciprocating mass, is represented by the vector of an inertial force in FIG. 2. The first and the ninth counterweights 61 and 69 , whose vectors are opposite to each other, are balanced with each other. The second, fifth and eighth counterweights 62 , 65 and 68 are arranged so that their force vectors intersect at 120 °; they are also balanced with one another, to which the design contributes. Furthermore, the third and sixth counterweights 63 and 66 as well as the fourth and seventh counterweights 64 and 67 are arranged axially symmetrically with respect to one another with respect to the crank arm 35 such that the third and seventh counterweights 63 , 67 are at 60 ° and the fourth and also cut the sixth counterweight 64 , 66 at 60 °; therefore the counterweight pairs 63 , 66 and 64 , 67 are balanced with each other. Thus, the balance between counterweights corresponding to each other is reliably maintained.

Diese herkömmliche Konstruktion einer Kurbelwelle ist insofern von Vorteil, als das Gleichgewicht zwischen den einander entsprechenden Gegengewichten in idealer Weise eingehalten wird und als sie dazu geeignet ist, großen Flächendruck aufzunehmen und auch einer großen Biege- sowie Scher- oder Schubspannung zu widerstehen. Eine Kurbel welle herkömmlicher Konstruktion hat jedoch ein extrem hohes Gewicht, was auf der Tatsache beruht, daß alle Kurbel wangen mit Gegengewichten ausgestattet sind, um einen völligen Gewichts- oder Massenausgleich zu erhalten. Aus diesem Grund kann die Eigenfrequenz einer Drehschwingung nicht adäquat angehoben werden, was in nachteiliger Weise einen Anstieg in der Drehschwingung im hohen Drehzahlbereich des Motors zum Ergebnis hat. Darüber hinaus ist die Tat sache, daß die Kurbelwelle ein großes Gewicht hat, in bezug auf ein Ansprechen auf eine Beschleunigung ungünstig und verschlechtert den Kraftstoffverbrauch.This conventional construction of a crankshaft is advantageous in that the balance between the corresponding counterweights in an ideal manner is complied with and when it is suitable for large Surface pressure and also a large bending as well as withstand shear or shear stress. A crank wave of conventional construction, however, has an extreme heavy weight, which is due to the fact that all crank cheeks are equipped with counterweights to get full weight or mass balance. Out because of this, the natural frequency of a torsional vibration not adequately raised, which is disadvantageously an increase in torsional vibration in the high speed range the result of the engine. Beyond that, the deed thing that the crankshaft is heavy, in unfavorable in response to acceleration and worsens fuel consumption.

In dem DE-Buch "Kolben, Pleuel und Kurbelwelle bei schnelllau fenden Verbrennungsmotoren" von W.-D. Bensinger und A. Meier, S. 85, ist eine axialsymmetrische Kurbelwelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gezeigt, bei der aus Gründen der Gewichtseinsparung statt neun, wie bei der eingangs geschilderten herkömmlichen Kurbelwelle, nur noch sechs Gegengewichte vorgesehen sind, die in Be messung und Anordnung zueinander ausgeglichen sind. Obwohl sich die letztgenannte Kurbelwelle hinsichtlich des Ge wichts schon vorteilhaft von der herkömmlichen Kurbelwelle unterscheidet, ist eine weitere Gewichtsverminderung wün schenswert.In the DE book "Pistons, connecting rods and crankshaft at Schnelllau internal combustion engines "by W.-D. Bensinger and A. Meier, p. 85, is an axially symmetrical crankshaft after the preamble of claim 1 shown, in which for reasons of weight saving instead of nine, as with the conventional crankshaft described at the beginning, only six counterweights are provided, which in Be measurement and arrangement are balanced. Even though the latter crankshaft with respect to the Ge weight already advantageous from the conventional crankshaft differs, further weight loss is wün worth it.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße axialsymmetrische Kurbelwelle derart weiterzubilden, daß sie unter Beibehaltung eines zufriedenstellenden Massen ausgleichs mit einem geringeren Gewicht gebaut werden kann.The invention has for its object the generic develop axially symmetrical crankshaft such that them while maintaining a satisfactory mass compensation with a lower weight can.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst. Durch die Ausgestaltung der Kurbelwelle mit nur noch fünf Gegengewichten, von denen eines in Axialrichtung der Kurbelwelle mittig angeord net ist, in Verbindung mit der zum mittigen Gegengewicht symmetrischen Anordnung und Ausrichtung der übrigen Gegen gewichte und durch den mittels zweier auf unterschiedlichen Seiten des mittigen Gegengewichts angeordneter Gegenge wichte vorgegebenen Ausgleich der rotierenden Masse des mit tigen Gegengewichts wird eine wesentliche Gewichtserspar nis erzielt, ohne daß hinsichtlich des Schwingungsver haltens der Kurbelwelle nachteilige Wirkungen auftreten.This task is characterized by the characteristics of the Part of claim 1 solved. By design the crankshaft with only five counterweights left which one is arranged centrally in the axial direction of the crankshaft is net, in connection with that to the central counterweight symmetrical arrangement and orientation of the other counter weights and by means of two on different Counterweights arranged on the sides of the central counterweight weight given predetermined balance of the rotating mass of the counterweight becomes a significant weight saver nis achieved without the Schwingungsver holding the crankshaft adverse effects occur.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Er findung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous refinements and developments of the Er invention result from the subclaims.

Aus der AT-PS 181 146 ist eine Kurbelwelle bekannt, die mit zwei außerhalb der äußeren Hauptlagerzapfen angeordneten fliegenden äußeren Gegengewichten ausgerüstet ist und deren zwei innere Gegengewichte durch ein einziges, mittiges Gegengewicht ersetzt sind, das zwischen den beiden mittigen, gleichgerichteten Kröpfungen sitzt.A crankshaft is known from AT-PS 181 146, which with two arranged outside the outer main journal flying outer counterweights and whose two inner counterweights by a single, central one Counterweight are replaced, that between the two middle, rectified cranks sits.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Ausführungs form unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Es zeigen:The invention is based on an embodiment form explained with reference to the drawing. It demonstrate:

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Kurbelwelle gemäß der Erfindung; Fig. 3 is a partially sectioned side view of a crankshaft according to the invention;

Fig. 1 eine schematische Darstellung für die Anordnung von Hauptlagerzapfen, Kurbelzapfen, Kurbelwangen und Gegengewichten bei einer herkömmlichen Kurbel welle; Figure 1 is a schematic representation of the arrangement of the main bearing pin, crank pin, crank cheeks and counterweights in a conventional crank shaft.

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Kurbelwangen und der Gegengewichte der Kurbelwelle gemäß Fig. 1 in Stirn- oder Axialansicht; FIG. 2 shows a schematic illustration of the crank webs and the counterweights of the crankshaft according to FIG. 1 in an end or axial view;

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Kurbelwangen und der Gegengewichte der Kurbelwelle gemäß Fig. 3 in Stirn- oder Axialansicht; FIG. 4 shows a schematic illustration of the crank webs and the counterweights of the crankshaft according to FIG. 3 in a frontal or axial view;

Fig. 5 bis 13 Schnittdarstellungen nach den Linien V-V bis XIII-XIII in Fig. 3. FIGS. 5 to 13 are sectional views taken on the lines VV to XIII-XIII in Fig. 3.

Einander entsprechende Elemente sind sowohl in den eine herkömmliche Kurbelwelle darstellenden Fig. 1 und 2 als auch in den Fig. 3 bis 13 mit demselben Bezugszeichen versehen.Corresponding elements are provided with the same reference numerals both in FIGS. 1 and 2 which represent a conventional crankshaft and in FIGS. 3 to 13.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 sind die dritte, vierte, sechste und siebte Kurbelwange 33, 34, 36 und 37 nicht mit Gegengewichten versehen. Die an der ersten sowie an der zweiten Kurbelwange 31 bzw. 39 befindlichen Gegengewichte 61, 69 weisen die gleiche Ausgestaltung, die gleiche rotierende Masse und das gleiche Widerstands moment auf, so daß sie einander ausgleichen. Die zweite und die achte Kurbelwange 32 und 38 sind axialsymmetrisch zueinander in bezug auf die mittige Kurbelwange 35 ange ordnet und mit Gegengewichten 62 bzw. 68 ausgestattet, die in ihrer Ausgestaltung, ihrer Masse und ihrem Wider standsmoment gleich sind, so daß sie mit Bezug zur fünften bzw. mittigen Kurbelwange 35 und deren Gegengewicht 65 selbstausgleichend sind.In the embodiment according to FIG. 4, the third, fourth, sixth and seventh crank arms 33 , 34 , 36 and 37 are not provided with counterweights. The counterweights 61 , 69 located on the first and second crank webs 31 and 39 have the same design, the same rotating mass and the same resistance moment, so that they balance each other out. The second and eighth crank arms 32 and 38 are axially symmetrical to one another with respect to the central crank arm 35 and are equipped with counterweights 62 and 68 , which are the same in their design, their mass and their resistance moment, so that they are related to fifth or central crank arm 35 and its counterweight 65 are self-balancing.

Im Gegensatz zur herkömmlichen, in Fig. 2 gezeigten An ordnung, bei der die Gegengewichte 61, 62, 63, 69, 68, 67 zueinander einen Winkel von 30° aufweisen, hat die in Fig. 4 dargestellte Anordnung keine Gegengewichte 63 und 67. Daher würden die Werte für die Biegebeanspruchungen in bezug auf die Kurbelwangen 32 und 38 unerwünscht erhöht, wenn die Ausrichtung der Gegengewichte 62 und 68 - in Axialrichtung der Kurbelwelle gesehen - so belassen würde, wie Fig. 2 zeigt.In contrast to the conventional arrangement shown in FIG. 2, in which the counterweights 61 , 62 , 63 , 69 , 68 , 67 are at an angle of 30 ° to one another, the arrangement shown in FIG. 4 has no counterweights 63 and 67 . Therefore, the values for the bending stresses with respect to the crank arms 32 and 38 would be undesirably increased if the alignment of the counterweights 62 and 68 - viewed in the axial direction of the crankshaft - were left as shown in FIG. 2.

Daher wird, wie Fig. 6 zeigt, das Gegengewicht 62 im Ver gleich zur herkömmlichen Anordnung in Richtung auf die Horizontalebene der Achse der Kurbelwelle 1 um 15°, d.h. um den halben Winkel von 30°, näher an den herkömmlicher weise vorgesehenen Gegengewichten 63 und 67 d.h. höher angeordnet. Andererseits wird das Gegengewicht 68, wie Fig. 12 zeigt, in Richtung auf die Horizontalebene der Kurbelwelle 1, um 15° näher an den herkömmlicherweise vorgesehenen Gegengewichten 63 und 67, d.h. niedriger angeordnet. Das gilt dafür, daß der erste Kurbelzapfen in seiner oberen Totpunktlage steht. Durch diese Anordnung wird es möglich, die Kurbelwangen in der Biegebeanspruchung etwa so auszugleichen, wie es bei einer herkömmlichen, in Fig. 1 gezeigten Kurbelwelle mit einer Neuner-Ausgleich anordnung möglich ist.Therefore, as Fig. 6 shows the counterweight 62 in the Ver equal to the conventional arrangement in the direction of the horizontal plane of the axis of the crankshaft 1 by 15 °, ie about half the angle of 30 °, closer to the conventionally provided counterweights 63 and 67 ie arranged higher. On the other hand, as shown in FIG. 12, the counterweight 68 is arranged 15 ° closer to the conventionally provided counterweights 63 and 67 , ie lower, in the direction of the horizontal plane of the crankshaft 1 . This applies to the fact that the first crank pin is in its top dead center position. This arrangement makes it possible to compensate the crank webs in the bending stress approximately as it is possible with a conventional crankshaft arrangement shown in FIG. 1 with a nine-way compensation arrangement.

Die jeweilige Ausrichtung und Ausgestaltung der Kurbel wangen und ihrer Gegengewichte ist in den Frontansichten der Fig. 5 bis 13 gezeigt.The respective alignment and design of the crank cheeks and their counterweights are shown in the front views of FIGS. 5 to 13.

Das Gegengewicht 62 ist, wie Fig. 6 zeigt, so angeordnet, daß es im vierten Quadranten an der Stellung R ₂ von 135° ist, wenn sich der Kurbelzapfen 41 im oberen Totpunkt befindet. Andererseits ist das Gegengewicht 68 so angeord net, wie Fig. 12 zeigt, daß es sich im 1. Quadranten an der Stellung R ₈ von 45° befindet, wenn der Kurbelzapfen 41 im oberen Totpunkt ist.The counterweight 62 is, as shown in FIG. 6, arranged so that it is in the fourth quadrant at the position R ₂ of 135 ° when the crank pin 41 is at top dead center. On the other hand, the counterweight 68 is arranged as shown in FIG. 12, that it is in the 1st quadrant at the position R ₈ of 45 ° when the crank pin 41 is at top dead center.

Die Winkel der Gegengewichte 62 und 68 können entsprechend der besonderen Konstruktion bestimmt werden, wobei vor ausgesetzt wird, daß sich die Gegengewichte 62, 68 jeweils im 4. und 1. Quadranten befinden, wenn der Kurbelzapfen 41 im oberen Totpunkt ist, und daß sie das Gleichgewicht zwischen den entsprechenden Kurbelwangen trotz Fehlens der Gegengewichte 63 und 67 halten.The angles of the counterweights 62 and 68 can be determined according to the particular construction, being exposed that the counterweights 62 , 68 are in the 4th and 1st quadrants, respectively, when the crank pin 41 is at top dead center, and that it is Maintain balance between the corresponding crank arms despite the absence of counterweights 63 and 67 .

Die Fig. 7, 8, 10 und 11 zeigen die Anordnung der Kurbelwan gen 33, 34, 36 und 37, die keine Gegengewichte haben. FIGS. 7, 8, 10 and 11 show the arrangement of the Kurbelwan gen 33, 34, 36 and 37 which do not have counterweights.

Die Massen des ersten und des neunten Gegengewichts 61, 69 sind einschließlich der Massen der ihnen zugeordneten Kurbelwangen 31, 39 die größten; die Massen des dritten, vierten, sechsten und siebten Gegengewichts, die allein von den Kurbelwangen gebildet werden, sind die kleinsten; die Massen des zweiten, fünften und achten Gegengewichts einschließlich der zugeordneten Kurbelwangen liegen zwischen den größten und den kleinsten Massen.The masses of the first and ninth counterweights 61 , 69 , including the masses of the crank arms 31 , 39 assigned to them, are the largest; the masses of the third, fourth, sixth and seventh counterweights, which are formed solely by the crank webs, are the smallest; the masses of the second, fifth and eighth counterweights, including the associated crank arms, lie between the largest and the smallest masses.

Mit der oben beschriebenen Anordnung ist die Kurbelwelle 1 etwa ausgeglichen. Die Kurbelwelle 1 kann in bezug auf die Biegebeanspruchung auf einem Niveau gehalten werden, das etwa dem der Kurbelwelle mit Neuner-Ausgleichanordnung entspricht.With the arrangement described above, the crankshaft 1 is approximately balanced. The crankshaft 1 can be kept at a level with respect to the bending stress which corresponds approximately to that of the crankshaft with a nine-compensation arrangement.

Da die Kurbelwangen 33, 34, 36 und 37 keine Gegengewichte haben, wird die Eigenfrequenz der Drehschwingung der Kurbel welle 1 entsprechend erhöht, so daß es möglich ist, die Drehzahl des Motors bis zum hohen Drehzahlbereich hinauf ruhig und glatt zum Ansteigen zu bringen.Since the crank arms 33 , 34 , 36 and 37 have no counterweights, the natural frequency of the torsional vibration of the crank shaft 1 is increased accordingly, so that it is possible to smoothly and smoothly raise the speed of the engine up to the high speed range.

Ferner ist die Kurbelwelle 1 bei richtiger konstruktiver Auslegung gut dazu geeignet, einen großen Flächendruck aufzunehmen sowie einer hohen Biege- und Schubbeanspruchung standzuhalten, und zwar auch im hohen Drehzahlbereich.Furthermore, the crankshaft 1 is well suited to absorb a large surface pressure and to withstand high bending and shear stress, even in the high speed range, if the design is correct.

Da darüber hinaus die rotierende Masse des zweiten sowie des achten Gegengewichts und die des fünften Gegengewichts miteinander ausgeglichen sind, ist die Kurbelwelle ohne Abnormität drehbar.In addition, the rotating mass of the second as well of the eighth counterweight and that of the fifth counterweight are balanced with each other, the crankshaft is without Abnormality rotatable.

Die Zahl der an der Kurbelwelle angebrachten Gegengewichte wird vermindert, wodurch eine beträchtliche Gewichtsredu zierung zu erreichen ist.The number of counterweights attached to the crankshaft is reduced, resulting in a considerable weight reduction decoration can be achieved.

Claims

1. Axially symmetrical crankshaft for a 6-cylinder engine with V-arrangement of the cylinders,
with six offsets for the crank pins,
with a plurality of main bearing journals, two of which are arranged on the crankshaft ends,
with a plurality of crank webs, one of which is arranged with tig, and
with a plurality of counterweights,
wherein at least one pair of crank cheeks arranged on both sides of the central cure is free of counterweight, characterized in that

a) that the number of counterweights is five, one ( 65 ) of the central crank arm ( 35 ) and the rest ( 61, 62, 68, 69 ) of the four crank arms ( 31 , 32, 38, 39 ) are assigned so that the counterweight-free crank cheeks ( 33 , 34 , 36 , 37 ) are adjacent to the central crank cheek ( 35 ),
b) that the two counterweights ( 61 , 69 ), which are arranged on the crankshaft ends closest to the crank webs ( 31 , 39 ), are balanced among themselves with respect to their rotating masses,
c) and that the three other counterweights ( 62 , 65 , 68 ) are balanced among themselves with regard to their rotating masses.

2. Crankshaft according to claim 1, characterized in that on both sides of the central crank web ( 35 ) two counterweight-free crank webs ( 33 , 34 ; 36 , 37 ) are net angeord.

3. Crankshaft according to one of claims 1 and 2, characterized in that - at top dead center of the first crank pin ( 41 ) and when viewing the crank shaft ( 1 ) from the crankshaft bearing the first crank pin ( 41 ) - the counterweight ( 62 ) the inner crank cheek ( 32 ) of the first crank in the fourth and the counterweight ( 68 ) of the inner crank cheek ( 38 ) of the last crank in the first quadrant.

4. Crankshaft according to claim 3, characterized in that the resultant of the inertial forces of the counterweight ( 62 ) of the inner crank arm ( 32 ) of the first crank and the resultant of the inertial forces of the counterweight ( 68 ) of the inner crank arm ( 38 ) of the last crank an angle of 135 ° with the resultant of the mass forces of the middle counterweight ( 65 ) included.

5. Crankshaft according to one of claims 1 to 4, characterized in that the counterweights ( 61 , 69 ) of the outer crank webs ( 31 , 39 ) of the first and last crank have larger masses than the three other counterweights ( 62 , 65 , 68 ) .

6. Crankshaft according to one of claims 1 to 5, characterized in that the counterweights ( 61 , 69 ) of the outer crank webs ( 31 , 39 ) of the first and last crank are mutually the same in design, mass and section modulus.

7. Crankshaft according to one of claims 1 to 6, characterized in that the counterweights ( 62 , 68 ) of the inner crank webs ( 32 , 38 ) of the first and last crank are mutually the same in design, mass and section modulus.

8. Crankshaft according to one of claims 1 to 7, characterized in that the outer crank webs ( 61 , 69 ) are greater in thickness than the adjacent crank webs ( 62 , 68 ).