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Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors
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Die Erfindung bezieht sich auf Maßnahmen zur Verringerung des Gewichts
einer Kurbelwelle und zum Ausgleich des durch Trägheitskräfte verursachten Moments
relativ bzw. quer zur Kurbelwelle, die in einem V-6 Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs
mit kleiner, mittlerer oder großer Größe eingebaut ist.
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Bekanntermaßen haben Kraftfahrzeuge verschiedene Typen von Verbrennungsmotoren.
Beispielsweise wird bei Kraftfahrzeugen aller Größen ein sog. V-6 Motor verwendet,
bei dem sechs Zylinder so angeordnet sind, daß ieweils nebeneinander liegende Zylinder
eine V-Form bei einem Winkel von 600 bilden.
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Die Kurbelwelle eines solchen Motortyps hat einen Aufbau, wie er in
den Fig. 1 und 2 dargestellt ist.
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Insbesondere weist die Kurbelwelle l, in den Figuren jeweils von links
nach rechts gezählt, erste bis vierte Wellenzapfen 21, 22, 23, 24, die mit entsprechenden
Hauptlagern zusammenwirken, auf. Kurbelzapfen 41, 42, 43, 44, 45, 46 für entsprechende
Pleuelstangen sind zwischen den entsprechenden benachbarten Wellenzapfen über erste
bis neunte Kurbelwangen 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 einstückig mit der Kurbelwelle
1.
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Der hintere, äußere Abschnitt des vierten Wellenzapfens 24, der sich
am Ende der Kurbelwelle 1 befindet, weist einstükkig eine Anbaufläche 6 für ein
Schwungrad 5 auf.
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Die sog. neunfache Auswuchtanordnung, bei der neun Ausgleichsgewichte
verwendet werden, ist in seitlicher Ansicht der Kurbelwelle schematisch in Fig.
2 gezeigt, während die Anordnung in Axialrichtung der Kurbelwelle gesehen in Fig.
3 gezeigt ist.
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Die Masse jedes der Ausgleichsgewichte, die gemäß Fig. 2 vorgesehen
sind, um das durch die rotierende Masse und die Hin- und Herbewegung verursachte
aus den Trägheitskräften resultierende Moment auszugleichen, ist durch den Vektor
der Trägheitskraft in Fig. 3 dargestellt. Hierhei heben sich insbesondere das erste
und neunte Ausgleichsgewicht 61 und 69, deren Vektoren in entgegengesetzte Richtungen
zueinander verlaufen, auf. Das zweite, fünfte und achte Ausgleichsgewicht 62, 65
und 68 sind mit gleichem Betrag so angeordnet, daß sie sich unter 120° schneiden
und daher gleichermaßen gegeneinander aufheben. Ferner sind das dritte und sechste
Ausgleichsgewicht 63 und 66 sowie das vierte und siebte Ausgleichsgewicht 64 und
67 bei gleichem Betrag axialsymmetrisch zueinander bezüglich der Kurbelwange 35
angeordnet, so daß sich das dritte und siebte Ausgleichsgewicht 63 und 67 ebenso
wie das vierte und sechste
Ausgleichsgewicht 64 und 66 unter einem
Winkel von 600 schneiden; deshalb heben sich die Paare der Ausgleichsgewichte 63
und 66 sowie 64 und 67 gleichermaßen gegeneinander auf. Somit ist kompensation unter
den entsprechenden Ausgleichsgewichten zuverlässig gewährleistet.
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Wie oben beschrieben, ist der herkömmliche Kurbelwellenaufbau darin
vorteilhaft, daß die kompensation unter den entsprechenden Ausgleichsgewichten ideal
eingehalten ist und daß der Kurbelwellenaufbau gut große Flächenpressungen und große
Biege- und Scherspannungen aushalten kann. Der herkömmliche Kurbelwellenaufbau hat
jedoch aufgrund der Tatsache, daß sämtliche Kurbelwangen für vollständige Auswuchtung
mit Ausgleichsgewichten versehen sind, ein äußerst großes Gewicht. Aus diesem Grund
kann die Eigenfrequenz für Torsionsschwingungen der Kurbelwelle nicht bedeutend
erhöht werden, was nachteilig in einem Anstieg der Torsionsschwingungen im Bereich
hoher Motordrehzahlen resultiert. Darüberhinaus ist das große Gewicht hinsichtlich
dem Ansprechverhalten gegenüber Beschleunigung ungünstig und verschlechtert den
Benzinverbrauch.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kurbelwelle mit
hervorragendem Aufbau zu schaffen, die im Anwendungsgebiet für Antriebssysteme der
Automobilindustrie nützlich ist und zudem die oben beschriebenen Vorteile der herkömmlichen
Kurbelwelle, nämlich die Güte hinsichtlich hoher Flächenpressung und großer Biege-
sowie Scherspannungen, vereint, wobei gewährleistet ist, daß die Anzahl der Ausgleichsgewichte,
durch die die erforderliche Auswuchtung eingehalten werden kann, minimiert ist,
wodurch das Gewicht der Kurbelwelle soweit als möglich verringert ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale in kennzeichnenden
Teil des Hauptanspruchs gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand schematischer
Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Teilschnitt einer Kurbelwelle in
Seitenansicht, Fig. 2 eine Schemadarstellung der Anordnung der Wellenzapfen, Kurbelzapfen,
Kurbelwangen und Ausgleichsgewichte bei einer Kurbelwelle gemäß dem Stand der Technik
in seitlicher Ansicht, wobei Kompensation zwischen den Ausgleichsgewichten dargestellt
ist, Fig. 3 eine Schemadarstellung der Kurbelwangen und Ausgleichsgewichte der Kurbelwelle
gemäß Fig. 2 gesehen in Axialrichtung, wobei Kompensation zwischen den Ausgleichsgewichten
dargestellt ist, Fig. 4 eine Fig. 3 entsprechende Darstellung, und Fig. 5 bis 13
Schnittansichten entlang den Linien V-V bis VIII-VIII in Fig. 1.
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Wie Fig. 4 zeigt, sind bei dieser Ausführungsform der Erfindung die
dritte, vierte, sechste und siebte Kurbelwange 33, 34, 36, 37 nicht mit einem Ausgleichsgewicht
versehen.
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Die an der ersten bzw. neunten Kurbelwange 31 bzw. 39 vorgesehenen
Ausgleichsgewichte 61 bzw. 69 sind einander in der Gestalt, Gewicht und Bereichsanordnung
gleich, so daß sie sich gegenseitig aufheben. Was die zweite, fünfte und achte Kurbelwange
32, 35 38 betrifft, sind die zweite und achte Kurbelwange mit den Ausgleichsgewichten
62 bzw. 68 versehen, die so angeordnet sind, daß sie im Gleichgewicht mit dem Ausgleichsgewicht
65 stehen.
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Die entsprechenden Richtungen und Gestaltungen der Kurbelwangen und
ihrer Ausgleichsgewichte sind in den Fig. 5 bis 13 dargestellt, die Frontansichten
sind.
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Die Fig. 7, 8, 10 und 11 zeigen den Aufbau der dritten, vierten, sechsten
und siebten Kurbelwange 33, 34, 36 und 37, die nicht mit einem Ausgleichsgewicht
versehen sind.
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Um das Moment aus den Trägheitskräfte relativ zur Kurbelwelle auszuschalten,
das charakteristisch für den V-6 Motor ist, ist jedes der oben beschriebenen Ausgleichsgewichte
wie folgt geformt: das erste und neunte Ausgleichsgewicht 61 und 69, die am wirkungsvollsten
zur Ausschaltung des durch die Trägheitskräfte verursachten Moments beitragen, sind
mit den größten Massen versehen. Das zweite und achte Ausgleichsgewicht 62 und 68
wirken hierfür neben dem ersten und neunten Ausgleichsgewicht 61 und 69 ebenfalls
beträchtlich, jedoch trägt die dritte, vierte, sechste und siebte Kurbelwange kaum
zur Ausschaltung dieses Moments bei. Aus diesem Grund haben die Kurbelwangen 31
und 39 die größte Dicke, während die Kurbelwangen 33, 34, 36, 37 die geringste Dicke
haben. Die Dicke der Kurbelwangen 32, 38 liegt dazwischen.
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Es ist festzuhalten, daß das fünfte Ausgleichsgewicht 65 eine solche
Masse und eine solche Dicke hat, daß es mit dem zweiten und achten Ausgleichsgewicht
62 und 68 ausgeglichen ist, um den Ausgleich der Kurbelwelle insgesamt aufrecht
zu erhalten und die Flächenpressung der Hauptlager zu verringern.
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Der Grund, warum die Dicke der äußeren Ausgleichsgewichte groß festgesetzt
ist, liegt darin, daß sie wirkungsvoller zur Ausschaltung des Moments relativ zur
Kurbelwelle infolge der Trägheitskräfte beitragen und daß jede Längenerhöhung
der
Ausgleichsgewichte in Radialrichtung der Kurbelwelle Beschränkungen unterliegt.
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Bei der oben beschriebenen Anordnung sind bei der Drehung der Kurbelwelle
1 während des Betriebs des Motors (nicht gezeigt) die entsprechenden Kurbelwangen
und Ausgleichsgewichte exakt ähnlich wie bei der herkömmlichen Kurbelwelle ausgeglichen.
Folglich verursacht die Kurbelwelle 1 keine unausgeglichenen Schwingungen bzw. Vibrationen
und dreht sich daher ohne Abnormalität.
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Da die dritte, vierte, sechste und siebte Kurbelwange 33, 34, 36 und
37 kein Ausgleichgewicht aufweisen, ist die Eigenfrequenz für Torsionsschwingungen
der Kurbelwelle entsprechend erhöht, so daß es möglich ist, die Drehzahl des Motors
vibrationsfrei bis zum Höchstdrehzahlbereich zu steigern.
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Ferner kann die Kurbelwelle 1 selbst im hohen Drehzahlbereich durch
ihre geeignete Konstruktion gut großen Flächenpressungen standhalten und einer großen
Biegespannung widerstehen.
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Da ferner die Masse der Ausgleichsgewichte allmählich zur mittlersten
Kurbelwange hin abnimmt, ist das Moment aus den Trägheitskräften relativ zur Kurbelwelle,
das charakteristisch für den V-6 Motor ist, ausgeschaltet, so daß eine stabile Rotation
der Kurbelwelle im hohen Motordrehzahlbereich erhalten ist.
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Durch die Erfindung sind'wie oben beschrieben, die folgenden Vorteile
erreicht: Grundsätzlich ermöglicht sie die Verringerung der Anzahl der Ausgleichsgewichte
an der Kurbelwelle und gestattet
daher eine große Gewichtsreduzierung
dieser. Folglich kann die Eigenfrequenz für Torsionsschwingungen der Kurbelwelle
erhöht sein, so daß es vorteilhaft möglich ist, den Motor in einem höheren Drehzahlbereich
zu betreiben.
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Da darüberhinaus das Moment relativ zur Kurbelwelle infolge der Trägheitskräfte
beseitigt ist, ist vorteilhaft ein stabiler Betrieb des Motors im hohen Drehzahlbereich
möglich.
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Ferner ist durch die Reduzierung des Gewichts der Kurbelwelle eine
Verringerung der trägen Masse möglich, wodurch die Materialkosten und folglich vorteilhaft
die Produktions kosten gesenkt werden.
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Somit wird nicht nur das Betriebsverhalten des MotorsSsondern auch
der Benzinverbrauch durch die Verringerung des Gewichts der Kurbelwelle verbessert.
Darüberhinaus kann vorteilhaft das Übergangsverhalten des Motors während der Beschleunigung
und das Abklingverhalten des Motors verbessert werden.
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Offenbart ist ein Kurbelwellenaufbau eines Motors, bei dem Kurbelwangen
direkt an der Kurbelwelle zwischen mehreren Kurbelzapfen und Wellenzapfen angebrachtsind,
die bezüglich der mittleren Kurbelwange vor und hinter dieser zwischen einem Wellenzapfen
an dem vorderen Ende der Kurbelwelle und einem Wellenzapfen an ihrem hinteren Ende
vorgesehen sind. Die Kurbelwange an dem vorderen Ende der Kurbelwelle und diejenige
an ihrem hinteren Ende sind jeweils mit Ausgleichsgewichten versehen, die eine Masse
haben, die zum Ausgleich des aus Trägheitskräften folgenden Moments geeignet ist.
U das Gewicht der Kurbelwelle zu verringern, sind die inneren Kurbelwangen mit Ausnahme
der mittleren Kurbelwange nicht mit einem Ausgleichsgewicht versehen,
wodurch
eine fünffach ausgeglichene Kurbelwelle konstruiert ist. Ferner ist erfindungsgemäß
die Dicke der Ausgleichsgewichte so festgelegt, daß ein Ausgleichsgewicht, das näher
an der mittleren Kurbelwange liegt, eine geringere Dicke hat als ein solches, das
weiter von dieser entfernt ist.
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