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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kurbelwelle für Kleinbrennkraftmaschinen zum Antrieb von Rasenmähern, Baumsägen, Zweiradfahrzeugen, motorisch betriebenen Handwerkzeugen oder dgl., mit mindestens einem Wellenzapfen, mindestens einer Kurbelwange und mindestens einem Kurbelbolzen, wobei die Teile getrennt gefertigt und anschließend zusammengefügt und durch Schweißen fest miteinander verbunden sind, die Wange mit zur Aufnahme von Wellenzapfen und/oder Kurbelbolzen vorgesehenen Aussparungen aus einem Bandstahl ausgestanzt oder aus einem Sinterschmiedeteil gefertigt ist und Wellenzapfen und/oder Kurbelbolzen aus zylindrischen Rohlingen durch Fließpressen geformt sind.
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Es ist bekannt, die eine Kurbelwelle bildenden Teile getrennt zu fertigen und miteinander fest zu verbinden, beispielsweise durch einen Preß- oder Schrumpfsitz. Ferner ist es bekannt, bei Kurbelwellen die durch Schrumpfung miteinander verbundenen Teile noch zusätzlich zu verschweißen. Auch wurde im Zusammenhang mit der Herstellung von Kurbelwellen schon vorgesehen, die Wangen aus einem weicheren Werkstoff zu fertigen als die Zapfen und den Zapfen mit einer Feinverzahnung auszustatten, die sich beim Zusammenbauen in den weicheren Werkstoff der Wange eindrückt, um so eine möglichst innige, intensive und feste Verbindung zwischen diesen beiden hochbeanspruchten Teilen zu schaffen. Anstelle solcher Feinverzahnungen sind auch Verpressungsverbindungen zwischen Kurbelwange und Kurbel- oder Lagerzapfen bekannt, bei denen der in eine Wangenbohrung engeren Durchmessers einzupressende Zapfen mit längsgerichteten Nuten ausgestattet ist. Ferner gehört es zum Stand der Technik, die einzelnen Teile der Kurbelwelle durch Spinte oder Keile miteinander zu verspannen.
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Bei all diesen bekannten Kurbelwellenkonstruktionen werden die getrennt gefertigten Teile je nach ihrer Form entweder gegossen oder auf Drehbänken hergestellt und diese mehrfach geteilten Kurbelwellen werden vornehmlich bei großvolumigen Maschinen eingesetzt. Auch wurde diese geteilte Bauweise der Kurbelwelle dann vorgesehen, wenn die Kurbelwelle bzw. der Pleuel mit Wälzlagern gelagert wurden. Ziel und Zweck all dieser geteilten Kurbelwellenkonstruktionen war es, deren Handhabung einerseits bei der Fertigung, andererseits bei der Montage zu vereinfachen.
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Die Kurbelwelle, auf die sich die Erfindung bezieht, wird hingegen vornehmlich bei Kleinbrennkraftmaschinen verwendet. Solche Kleinbrennkraftmaschinen dienen zum Antrieb von motorisch betriebenen Handwerkzeugen, beispielsweise Kettensägen, Rasenmähern, für den Antrieb von kleinen Zweiradfahrzeugen, wie Mofas und Mopeds und anderes. Es handelt sich bei diesen Kurbelwellen, auf die sich die Erfindung bezieht, um einen sowohl von seiner Masse wie auch von seinen Abmessungen her gesehen relativ kleinen Bauteil, der bislang aus Zweckmäßigkeitsgründen einstückig gefertigt worden ist, da eine getrennte Fertigung der die Kurbelwellen bildenden Teile für ein so kleines Maschinenelement aus rein wirtschaftlichen Überlegungen her nicht in Frage gekommen ist. Unbeschadet dessen, daß eine solche Kurbelwelle für Kleinbrennkraftmaschinen ein kleines Maschinenelement darstellt, muß dieses Element äußerst hohen Präzisionsansprüchen genügen, was seine Fertigung entsprechend teuer gestaltet.
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Die österreichische Patentschrift 1 56 130 beschreibt und zeigt eine Kurbelwelle für Kleinbrennkraftmaschinen. Die Kurbelwange und der Wellenzapfen weden getrennt gefertigt und anschließend werden die so gefertigten Teile miteinander verschweißt. Die Bohrung in der Wange für die Aufnahme des Wellenzapfens ist durchgehend zylindrisch; ebenso zylindrisch ist der Teil des Wellenzapfens, der von der Wange aufgenommen wird. Die beiden ineinandergefügten Teile werden dann an der Stirnseite des Wellenzapfens miteinander verschweißt. Eine Kurbelwelle, auch wenn sie für Kleinbrennkraftmaschinen vorgesehen ist, ist ein äußerst kompliziertes und hochbeanspruchtes Maschinenteil. Bei der aus der erwähnten Vorveröffentlichung bekannten Konstruktion liegt die Schweißnaht auf der dem Wellenzapfen abgewandten Seite der Kurbelwange. Es ist erkennbar, daß die Schweißnaht an jenem Bereich der Wange liegt, der beim betriebsmäßigen Einsatz der Kurbelwelle als Druckzone beansprucht ist, wogegen im Bereich der Zugzone, das ist auf der dem Wellenzapfen zugewandten Seite, zwischen diesem und der Wange keine mechanische Verbindung besteht. Dies beeinträchtigt die Stabilität der Kurbelwelle. Es wäre daher an sich naheliegend, auch auf der Seite, wo der Wellenzapfen liegt, eine Schweißnaht vorzusehen, um der erwähnten Beeinträchtigung zu begegnen. Das ist aber kaum möglich, da unmittelbar an die Wange anschließend stets ein Lager für den Wellenzapfen vorgesehen wird, was bedingen würde, daß diese außenseitig liegende Schweißnaht spanabhebend bearbeitet wird, damit das erwähnte Lager an der Wangenaußenseite überhaupt angeordnet werden kann. Auf Grund der außerordentlich hohen Härte und Sprödigkeit der Schweißnaht ist das in der Praxis jedoch nicht durchführbar. Abgesehen davon würde durch eine solche spanabhebende Bearbeitung gerade dort eingegriffen, wo die feste Verbindung zwischen den beiden verbundenen Teilen besonders wichtig und notwendig ist.
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Es ist ferner bekannt, die eine Kurbelwelle bildenden Teile durch unterschiedliche und verschiedenartige Fertigungsverfahren herzustellen und dazu unterschiedliche Rohmaterialien und Ausgangsmaterialien zu verwenden (US-Patentschrift 43 42 236).
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Ausgehend von diesem Stand der Technik zielt die Erfindung darauf ab, die Verbindung zwischen Wange und Wellenzapfen zu verbessern und die Verbindung dort vorzusehen, wo sie auf Grund der betriebsmäßigen Beanspruchungsverhältnisse notwendig und wichtig ist, was vorschlagsgemäß dadurch gelingt, daß in der für den Zusammenbau vorbereiteten Wange zumindest die Aussparung für die Aufnahme des Wellenzapfens über ihre axiale Länge mindestens zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist, wobei der Abschnitt mit dem größten Durchmesser auf der dem Wellenzapfen zugewandten Seite der Wange liegt, der von diesem Abschnitt der Aussparung aufzunehmende, hinsichtlich seines Durchmessers der Aussparung entsprechende Abschnitt des Wellenzapfens eine abgesetzte schräge Schulter besitzt, die nach dem Einführen der Wellenzapfen in die Aussparung der Wange zunächst linienförmig an der durch die unterschiedlichen Durchmesser gebildeten Stufe dieser Aussparung anliegt und wobei anschließend die feste Verbindung von Wellenzapfen und Wange durch als elektrisches Widerstandsschweißen ausgeführtes Preßschweißen hergestellt ist. Zur Lösung der vorstehend geschilderten Aufgabe sind also zwei Maßnahmen vorgesehen, die in ihrer Verbindung das gesteckte Ziel erreichen lassen, nämlich:
- - die geometrische Gestaltung der Aussparung in der Wange und jene des von dieser Aussparung aufnehmbaren Abschnittes des Wellenzapfens;
- - die Verbindung der beiden Teile durch Preßschweißen, inbesondere durch elektrisches Widerstandsschweißen.
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Dadurch wird erreicht, daß die Schweißnaht zwischen den beiden Teilen sozusagen im Inneren liegt und darüber hinaus an jener Stelle oder zumindest nahe jener Stelle, die beim betriebsmäßigen Einsatz der Kurbelwelle auf Zug beansprucht ist. Durch diese innenseitige Lage der Schweißnaht wird vermieden, daß während des Schweißvorganges die Schmelze unkontrolliert fließt, vielmehr ist hier durch die innenseitige Lage der Schweißnaht die Schmelze im Inneren gefangen und genötigt, eventuell vorhandene Hohlräume auszufüllen, wobei die Schmelze im Inneren gleichmäßig verteilt wird. Durch die besondere konstruktive Gestaltung der miteinander zu verbindenden Teile wird erreicht, daß beim Beginn des Schweißvorganges die Erhitzungszone in ihrer Lage eindeutig definiert ist und daß ferner eine hohe Schmelztiefe erreicht wird. Diese Vorgänge sind im beliebigen Maße reproduzierbar, was eine absolut notwendige Voraussetzung dafür ist, daß diese Verbindung überhaupt serienmäßig gefertigt werden kann. Die Montage ist darüber hinaus einfach, denn es werden keine Preßpassungen benötigt, vielmehr wird in einem einzigen Arbeitsvorgang sowohl positioniert wie auch verbunden. Dies erleichtert die Herstellung, denn die Wange und der Wellenzapfen müssen sowohl axial wie auch winkelmäßig exakt positioniert sein, da bei solchen Kleinmotoren auf dem Wellenzapfen ein Magnet zur Steuerung der Zündung angeordnet wird.
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Für einen Maschinenbauteil bzw. ein Maschinenelement von so geringen Abmessungen ist eine getrennte Fertigung der einzelnen Teile für den einschlägigen Fachmann nicht naheliegend, vor allem auch schon deswegen, da für die Fertigung der die Kurbelwellen bildenden Teile gänzlich unterschiedliche Fertigungsverfahren eingesetzt werden. Für die Wange wird entweder ein gewalzter oder gezogener Bandstahl verwendet oder die Wange wird durch Sinterschmieden hergestellt, wobei die Wange selbst wie auch die zur Aufnahme von Wellenzapfen und Kurbelbolzen vorgesehenen Aussparungen sozusagen in einem Arbeitsgang gefertigt werden. Der so gewonnene Bauteil wird anschließend einer thermischen Vergütungsbehandlung unterzogen, wobei diese Behandlungsmethode exakt auf das besondere Merkmal und auf die Anforderungen der Wange ausgelegt ist.
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Analoges gilt für die Wange, wenn sie in einem Sinterschmiedeverfahren gefertigt wird. Gestanzte Wangen werden zweckmäßigerweise dann verwendet, wenn es sich um Wangen mit einfachen Formen handelt, also um Wangen mit im wesentlichen ebenen Seitenflächen. Haben die Wangen eine komplizierte Form, beispielsweise verstärkte Wandteile zum Massenausgleich, so werden die Wangen durch Sinterschmieden gefertigt.
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Der Wellenzapfen und/oder der Kurbelbolzen werden aus zylindrischen Rohlingen durch Fließpressen geformt. Die so gewonnenen Werkstücke, die bereits eine hohe Form- und Maßhaltigkeit besitzen, werden auf Automaten weiterbearbeitet, beispielsweise können Gewinde eingewalzt werden oder Nuten, auch Schleifoperationen werden auf solchen Automaten abgewickelt. Darüber hinaus ist eine partielle Härtung von einzelnen Abschnitten der so gefertigten Werkstücke möglich. Die die Kurbelwelle bildenden Teile werden so einzeln gefertigt und auf ihre Fertigmaße hin bearbeitet.
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Die so nach gänzlich unterschiedlichen Techniken gefertigten Wangen und Zapfen bzw. Bolzen werden dann auf Montageautomaten positionsgerecht zusammengefügt und anschließend preßgeschweißt. Durch das Preßschweißen werden die auf Fertigmaß bearbeiteten Teile in keiner Weise nachteilig beeinflußt, so daß sich eine Nachbearbeitung der Teile erübrigt. Unter Preßschweißen wird hier eine Vereinigung metallischer Werkstoffe unter Druck bei örtlich begrenzter Erwärmung verstanden, wozu sich das elektrische Widerstandsschweißen besonders eignet.
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Um die Festigkeit der Verbindung zwischen Wellenzapfen und Kurbelwange zu erhöhen, kann die der Wange unmittelbar benachbarte Stirnseite des Wellenzapfens warmgepreßt werden. Dieses Warmpressen wird zweckmäßigerweise anschließend an die Preßschweißung durchgeführt. Dabei ist es vorteilhaft, daß die axiale Länge der Ausnehmung in der Wange zur Aufnahme des Wellenzapfens um ein geringes Maß kleiner ist als die axiale Länge des aufzunehmenden korrespondierenden Abschnittes des Wellenzapfens. Dadurch ragt bei der ordnungsgemäßen Zusammenfügung der zu paarenden Teile ein kurzer Abschnitt gegenüber der Seitenfläche der Wange vor, dieser vorspringende und vorragende Teil wird dann diesem Warmpreßverfahren unterworfen.
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Um eine definierte, exakte Axialverschiebung des Wellenzapfens gegenüber der Wange beim Preßschweißen zu erzielen, ist weiterhin nach einem Merkmal der Erfindung vorgesehen, daß der in der Aussparung der Wange aufgenommene Abschnitt des Wellenzapfens gegenüber dem diesem Abschnitt unmittelbar folgenden und außerhalb der Aussparung liegende Teil des Wellenzapfens zur Bildung einer an der Wange anliegenden Anschlagschulter einen verjüngten Durchmesser aufweist. Dank dieser Maßnahme wandert der Wellenzapfen während des Preßschweißens aufgrund des auf ihn einwirkenden axialen Preßdruckes so lange gegen die Wange, bis die erwähnte Schulter an der Wange oder einem eventuell hier angeordneten Distanzring anliegt, so daß diese Axialverschiebung sich auf einem genau definierbaren Weg erstreckt.
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Die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile liegen nicht nur in der vereinfachten Fertigung der Kurbelwelle, sondern auch darin, daß die nach diesen Maßnahmen gefertigte Kurbelwelle stabiler und höher beanspruchbar ist als jene nach den bekannten Konstruktionen.
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Zur Veranschaulichung der Erfindung wird diese anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
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Fig. 1 eine Wange in Ansicht und
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Fig. 2 in Seitenansicht, zum Teil geschnitten;
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Fig. 3 einen Wellenzapfen in Ansicht;
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Fig. 4 Wellenzapfen und Wange zusammengefügt und für die Preßschweißung vorbereitet;
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Fig. 5 Wellenzapfen und Wange nach der Preßschweißung;
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Fig. 6 Wellenzapfen und Wange nach der Warmpressung;
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Fig. 7 die Ansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten und gefertigten Kurbelwelle, zum Teil aufgeschnitten.
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Die in Fig. 1 und 2 gezeigte Wange 1 ist in einem Sinterschmiedeverfahren gefertigt, da diese Wange 1 an ihrer, der Ausnehmung 2 für die Aufnahme des Kurbelbolzens 3 abgewandten Seite zum Massenausgleich einen verstärkten Abschnitt 4 besitzt. Die mittlere Aussparung 5 für die Aufnahme des Wellenzapfens 7 ist über ihre Länge in zwei Abschnitte 5&min; und 5&min;&min; unterteilt mit unterschiedlichen Durchmessern, wobei der Abschnitt 5&min; mit dem größeren Durchmesser der Außenseite 8 der Wange 1 zugewandt ist. Die axiale Länge dieses Abschnittes 5&min;&min; ist kleiner als die axiale Länge des Abschnittes 5&min; mit dem kleineren Durchmesser. Der Abschnitt 5&min;&min; mit dem vergrößerten Durchmesser wird an dem durch Sinterschmieden gefertigten Teil durch den Sinterschmiedeprozeß mit eingeformt. Ist die Wange jedoch aus einem Bandstahl durch einen Stanzvorgang gefertigt, so wird dieser Abschnitt 5&min;&min; durch einen spanabhebenden Arbeitsvorgang (beispielsweise durch Fräsen) ausgeformt.
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Der eine Wellenzapfen 7 ist durch Fließpressen geformt und nachträglich bearbeitet (Fig. 3), wobei diese nachträgliche Berbeitung das Aufrollen eines Gewindes 9 sowie das Schleifen seiner Oberflächen umfaßt. Der Wellenzapfen 7 erhält als Einzelstück durch diese Bearbeitungsschritte sein gefordertes Fertigmaß. Solche Bearbeitungsschritte können auch Vergütungsbehandlungen miteinschließen. Alle diese Bearbeitungsschritte, welcher Art immer, werden an dem durch Fließpressen gefertigten Einzelstück vorgenommen. Der eine Endabschnitt 7&min; des Wellenzapfens 7 ist für die Aufnahme in der Aussparung 5 der Wange 1 vorgesehen. Er ist hinsichtlich seiner Durchmesser zweistufig ausgebildet, wobei die beiden Stufen 10 und 11 über eine schräge Schulter 12 miteinander verbunden sind. Darüber hinaus ist zwischen der Stufe 11 und dem Schaftabschnitt 13 des Wellenzapfens 7 eine gerade Schulter 14 vorgesehen, deren Funktion noch im folgenden erläutert werden wird. Was hier zum Wellenzapfen 7 nach Fig. 3 hinsichtlich der Fertigung und Nachbearbeitung sowie Ausgestaltung gesagt worden ist, gilt in analoger Weise für den Wellenzapfen 17 (Fig. 7), so daß diese Einzelheiten zu diesem Wellenzapfen 17 hier nicht noch wiederholt werden müssen.
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Der so gefertigte und auf seine Fertigmaße bearbeitete Wellenzapfen 7 wird mit der Wange 1 gepaart, was Fig. 4 veranschaulicht. Bei diesem Zusammenfügen sitzt vorerst die schräge Schulter 12 an der durch die beiden Abschnitte 5&min; und 5&min;&min; unterschiedlichen Durchmessers gebildeten Kante 20 auf. Der Durchmesser des Abschnittes 5&min; einerseits und der Durchmesser des Wellenstummels 10 des Wellenzapfens 7 sind so aufeinander abgestellt, daß die Teile ohne besonderen Kraftaufwand ineinander geschoben werden können. Nun werden die so gefügten Teile 1 und 7 einer Preßschweißung unterworfen, durch welches die Materialien der beiden Teile örtlich im Bereich ihrer Kantenberührung stark erhitzt und in der Folge teigig werden, wodurch wegen der auf die beiden Teile einwirkenden Preßkraft (Pfeil 15 in Fig. 4) die Teile axial gegeneinander verschoben werden, bis die Schulter 14 an der Außenseite 8 der Wange 1 anschlägt. Es ist auch möglich, zwischen Schulter 14 und Außenseite 8 der Wange einen Distanzring oder eine Distanzscheibe exakter Stärke einzulegen, falls dies aus irgendwelchen konstruktiven Gründen notwendig sein sollte. Die nach Abschluß des Preßschweißens miteinander verbundenen Teile veranschaulicht die Fig. 5.
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Um die Festigkeit der Verbindung zu erhöhen, wird anschließend der aus der Wange vorspringende Abschnitt 18 des Wellenzapfens 7 warmgepreßt, also unter Einwirkung von örtlich begrenzter Wärme und örtlich begrenztem Druck verformt, so daß nach Abschluß dieses Arbeitsganges die miteinander verbundenen Teile sich in der aus Fig. 6 ersichtlichen Form darstellen. Durch dieses Warmpressen werden eventuell vorhandene Spalträume zwischen den zylindrischen Wandungen des Abschnittes 5&min; und des Wellenstummels 10 unter hohem Druck mit Material ausgefüllt.
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In korrespondierender Weise wird mit der zweiten Wange und dem zweiten Wellenzapfen 17 (Fig. 7) verfahren. Anschließend wird - eventuell nach einer weiteren Bearbeitung der Ausnehmung 2 - der Kurbelzapfen 3 eingefügt und die Pleuelstange 16 montiert (Fig. 7). Zur Fixierung eines Magnetzünders ist auf dem kegeligen Abschnitt 21 des einen Wellenzapfens 7 noch eine Keilnut 22 ausgespart.
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Vorstehend wurde die Erfindung anhand einer Wange erläutert, die als Sinterschmiedeteil gefertigt worden ist. Eine Wange, die über ihre gesamte Ausdehnung eine gleiche Stärke besitzt, also eine einfache Form aufweist, kann auch durch eine Stanzoperation gefertigt werden, wobei als Ausgangsmaterial ein Bandstahl dient. Beim Stanzen werden nicht nur die Wange sondern auch die Aussparungen für die Aufnahme des Wellenzapfens und des Kolbenbolzens mitausgeformt.
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Dank des erfindungsgemäßen Vorschlages ist es möglich, für Kleinbrennkraftmaschinen die Fertigung der Kurbelwelle ganz erheblich zu verbilligen, obwohl die die Kurbelwelle bildenden Teile getrennt nach sehr unterschiedlichen Fertigungsverfahren hergestellt werden. Auch unter Berücksichtigung des einleitend aufgezeigten Standes der Technik ist dies für den einschlägigen Fachmann ein überraschendes Ergebnis, was allein schon die Tatsache bescheinigt, daß diese Massenartikel bislang einstückig gefertigt worden sind, also ein Fertigungsverfahren angewandt wurde, das außerordentlich kostspielig ist, obgleich in der gesamten Industrie die Tendenz herrscht, einen Bau- oder Maschinenteil ohne Nachteile für seine Funktionsfähigkeit und Funktionstüchtigkeit möglichst billig und mit geringem Aufwand herzustellen. Dieser Umstand bescheinigt, daß trotz des umfassenden Standes der Technik, der einleitend skizziert worden ist, die beanspruchte Maßnahme eine ausreichende Erfindungshöhe besitzt.