DE3644320A1 - Exzenterwelle einer rotationskolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Exzenterwelle einer Rotationskolbenbrennkraftmaschine der Trochoiden- Bauweise mit einem aus einer zweibogigen Mantel­ laufbahn und Seitenteilen bestehenden Gehäuse, das von einer Exzenterwelle durchsetzt ist, auf deren Exzenter ein dreieckiger Kolben in ständigem gleiten­ den Eingriff seiner Dichtteile an der Mantellaufbahn in einer Planetenbewegung umläuft. Die Erfindung be­ trifft insbesondere eine mehrscheibige Rotationskol­ benbrennkraftmaschine der gleichen Bauart.

Derartige Brennkraftmaschinen haben vor herkömmlichen Motoren, insbesondere Flugmotoren, den Vorteil, bei gleicher Leistung wesentlich geringere Ausmaße, insbe­ sondere in axialer Draufsich zu haben. Der größte Ge­ wichtsanteil einer solchen Rotationskolbenbrennkraftma­ schine stellt die Exzenterwelle dar, was sich, je kom­ pakter und im Verhältnis zu ihren Ausmaßen leistungs­ stärker eine Maschine ausgelegt ist, desto mehr auswirkt.

In DE-OS 29 50 275 (Gesenkschmiede Schneider GmbH) wurden mit Exzentern versehene hohle Nockenwellen einer acht­ zylindrigen Brennkraftmaschine beschrieben und darge­ stellt, die im sogenannten Innendruckumformungsverfahren hergestellt werden sollten. Bei diesem Verfahren wird ein rohrförmiger Rohling in ein geschlossenes, die Ne­ gativform des herzustellenden Werkstückes bildendes Werk­ zeug von innen heraus unter hohem hydraulischen Druck kalt gepreßt. Im axialen Schnitt sollen dann die Innen­ konturen der Außenkontur mit einer im Verhältnis zum Querschnitt geringen Wandstärke folgen. Dieses Ver­ fahren, das bei der großen Materialumsetzung im Kalten hohe Festigkeiten ergeben soll, ist als bekannt ge­ nannt, aber nicht im einzelnen beschrieben worden. Ferner ist in dieser OS behauptet, daß man auf diese Weise nicht nur Nockenwellen, wie die dargestellte, sondern auch Kurbelwellen usw. für Brennkraftmaschinen herstellen könne. Tatsächlich war es aber zu diesem Zeitpunkt insbesondere auch der Anmelderin dieses Rechts nicht möglich, auch nur die dargestellte Nockenwelle herzustellen. Die Nocken mußten vielmehr nachträglich aufgeschweißt werden. Es liegt daher eine unzureichende Offenbarung vor und es war dem Fachmann nicht möglich, solche Wellen beliebig oft nach dieser Lehre herzu­ stellen. Mehr noch wie für Nockenwellen muß das für Exzenterwellen gelten, da dort die notwendige Material­ umsetzung um ein Vielfaches größer und Materialbewe­ gungen wie in einem Ziehverfahren um rechte Winkel not­ wendig wären. Die Nocken der in der genannten OS dar­ gestellten Welle weisen eine bis zu Ihrer Anlauffläche reichende schräg ausgerundete Übergangskurve auf, was zeigt, daß die Ausbildung von Exzentern üblicher Bau­ weise mit dem offenbarten Verfahren nicht möglich wäre, da hier zerstörende Scherkräfte auftreten. Gerade diese Schwierigkeiten mußten den Fachmann von dem Ziel ab­ lenken, hohle Exzenterwellen nach dem Vorschlag der ge­ nannten OS herzustellen.

Es ist an sich möglich, hohle Wellen aus einzelnen Rohr­ stücken zusammenzuschweißen, jedoch ist ein solches Ver­ fahren aufwendig und bei den erhaltenen Wellen müssen Materialinhomogenitäten und -schwächungen an den Schweißnähten hingenommen werden.

Die Herstellung derartig hohler Wellen, wie sie in der vorstehenden Veröffentlichung in Wirklichkeit nur als Aufgabenstellung genannt sind, ist auch nicht durch Ausbohren von geschmiedeten Wellen möglich, da hiermit die exzentrischen Teile nicht erreicht werden können. Dies wäre nur mit Fräsen mit einem unvertretbaren Auf­ wand und nur bei geringeren Exzentrizitäten durchführ­ bar, wobei Materialverschwächungen infolge Anschneidens des Faserverlaufes hingenommen werden müßten. Auch sind derartig hergestellte hohlen Wellen für die eingangs genannten Maschinen nicht bekannt. Es wurden nur Bohrun­ gen für die Durchführung von Öl zu den Exzenter- und Wellenlagern mit entsprechend geringerem Querschnitt vorgesehen, so in DE-OS 25 20 843 (General Motors Co.). Ferner zeigt DE-PS 11 25 228 (eigene Anmeldung) in Fig. 8 eine zu Kühlzwecken mit größerer Weite angebohrte Welle mit dünnen Kühlölleitungen im Exzenter, die ab­ gesehen von der Ineffektivität einer solchen Kühlung nur sehr schwer herstellbar sind und kaum das Gewicht des Exzenters, der die wesentliche Masse solcher Wellen darstellt, verringern können.

Aufgabe der Erfindung war die Herstellung einer Exzen­ terwelle, die bei einer Gewichtseinsparung auf einem Bruchteil des Gewichts gleichartiger üblicher Exzenter­ wellen mindestens gleiche Festigkeitseigenschaften auf­ weist, wobei das Herstellungsverfahren einfach, kosten­ günstig und für Massenfertigung geeignet ist und bei dem sich die Bearbeitung auf Abdrehen der Exzenter­ und Wellenlager beschränken kann.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Ansprüchen.

Die Herstellung der Hohlwelle kann in einem bekannten hydraulischen Innendruckumformungsverfahren geschehen, bei dem die vorgeformte axial durchbohrte Welle in einem Werkzeug von ihrer axialen Bohrung her unter hohem hydraulischem Druck auf ihren Sollwert aufge­ weitet wird. Da für die Exzenter mehr Material benö­ tigt wird, als in dem im Werkzeug liegenden rohrför­ migen Rohling vorhanden ist, muß während des Umform­ vorganges Material zugeführt werden. Dazu wird der über das Werkzeug hinausragende Rohling während des Umformvorganges nachgeschoben. Wie bereits eingangs erwähnt, kann die Ausformung des Exzenters an seinen Seitenwänden nur über eine Rundung des Werkzeugs mit ausreichend großem Radius erfolgen, um Scherwirkungen zu vermeiden. Die Seite des Exzenters wenigstens, an der das Synchrongetriebe des Kolbens anliegt, muß je­ doch bis auf einen geringen Übergangsradius, bei Mo­ toren von etwa 40 bis 50 PS in der Größe von 5 bis 10 mm, in einer zur Wellenachse senkrechten Ebene liegen, um Platz für das Synchrongetriebe bei ausreichender Auf­ lagefläche des Exzenterlagers zu haben. Diese im Innen­ druckumformungsverfahren nicht ausführbare Abwinkelung der Exzenterseitenwand zur Wellenachse muß nach Heraus­ nahme der verpreßten Werkstücke aus der Werkzeuge durch Hämmern oder Kaltpressen erzeugt werden, wobei ein in den Wellenhohlraum eingeführter Dorn das Eindrücken ver­ hindert. Durch die eintretende Verformung ergibt sich eine höhere Materialfestigkeit und Verwindungssteifig­ keit mit ungestörtem gleichmäßigem Faserverlauf, so daß eine Welle mit sehr guten Materialeigenschaften ent­ steht, die gleichzeitig nur etwa ein Achtel des Gewichts einer Vollwelle gleicher Ausmaße aufweist. Vor allem ergibt sich ein Vorteil gegenüber herkömmlichen ge­ schmiedeten Wellen, bei denen, vor allem in Abschnitten größerer Materialstärke, wie den Exzentern, nie eine durchgehend gleichmäßige und gute Festigkeitseigen­ schaft erreicht werden kann.

Ausführungsbeispiele, die jeweils Wellen für zwei­ scheibige Maschinen sind, werden im folgenden anhand der Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch eine flüssig­ keitsgekühlte Rotationskolbenbrennkraft­ maschine mit erfindungsgemäßer Welle,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer solchen Welle,

Fig. 3 eine Teilvergrößerung aus Fig. 1

Die in Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine ist ein Flugmotor mit zwei Scheiben. Sein Gehäuse 1 weist zwei Seitenscheiben 2 und 3 und ein Mittelteil 4 auf, zwischen denen die Mantelteile 5 und 6 angeordnet sind. Die das Gehäuse 1 durchsetzende Exzenterwelle 7, auf deren Exzentern 8 und 9 auf Wälzlagern 10 und 11 die Kolben 12 und 13 umlaufen, ist hohl ausgebildet. Der Innenraum 14 der Exzenterwelle 7 folgt in seinen Innenwänden der Außenkontur der Welle, insbesondere in deren Exzentern 8 und 9. Dies hat den Vorteil, daß durch Einbeziehung dieses Innenraumes 14 in das Flüssigkeitskühlsystem des Gehäuses 1 die Exzenter­ lager 10 und 11 unmittelbar gekühlt werden können. Dies gilt auch für die Wellenlager 15 und 16 in den Gehäuseseitenteilen 2 und 3.

In das offene rechte Ende 17 der Exzenterwelle 7 ist ein Rohr 18 eingepreßt, das sie über das Wellenlager 16 hinaus verlängert. Dieses Rohr 18 kann zum Antrieb der Zusatzaggregate wie Umwälzpumpe 19, Lichtmaschine und anderes dienen. Dabei ist die Umwälzpumpe 19 un­ mittelbar auf das Rohr 18 aufgepreßt, während der An­ trieb der übrigen Zusatzaggregate über die Zahnräder 20 und 21 erfolgt. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß eine weitere Gewichtsersparnis entsteht, da die Exzenterwelle 7 kürzer gehalten werden kann und nur mit dem leichten Rohr 18 verlängert ist, das für den Antrieb der Zusatzaggregate ausreicht. Die Zuführung der Kühlflüssigkeit erfolgt über ein Zuführungsrohr 22, das mit der Exzenterwelle 7 mitdreht oder das in einem Gehäusedeckel 23 befestigt feststehen kann. Die Kühl­ flüssigkeit wird über eine Bohrung in dem Gehäusedeckel 23 zugeführt, nach der ein Bypass des Gehäusekühlmittel­ umlaufens abgezweigt ist. Der Rückfluß des Kühlwassers erfolgt in dem ringförmigen Zwischenraum zwischen dem Zuführungsrohr 22 und dem Rohr 18.

Wie dies Fig. 2 zeigt, kann die hohle Exzenterwelle 7 auch über das Wellenlager 16 hinaus verlängert sein. Auf das über das Lager 16 hinausstehende Wellenende 24 ist ein Keilriemenantriebsrad 25 aufgekeilt, das den Antrieb der Zusatzaggregate übernimmt. Die Zuführung der Kühlflüssigkeit erfolgt über die Öffnungen 26 und 27 im Wellenende 24, die durch eine Trennscheibe von­ einander getrennt Zu- und Abfluß des Kühlmittels besor­ gen.

In Fig. 3, die eine Vergrößerung aus Fig. 1 ist, wird der Axialschnitt der Ausbildung der Exzenter durch das Exzentrizitätsmaximum und -minimun dargestellt. Das Synchrongetriebe 29 bzw. 30 der Kolben 8 und 9 weist ein an dem Kolben befestigtes Hohlrad 31 bzw. 32 und ein an den Gehäuseseitenteilen 2 bzw. 3 um die Exzenterwelle 7 befestigtes Ritzel 33 bzw. 34 auf. Der Radius des Überganges 35 bzw. 36 an der Ex­ zenterwelle 7 zu den Synchrongetrieben 29 bzw. 30 anliegenden Seitenwänden 37, 38 der Exzenter 8, 9, die in zur Achse der Exzenterwelle 7 senkrechter Ebene liegen, muß so klein sein, daß genügend Raum für die Synchrongetriebe 29 und 30 und eine ausreichen­ de Lagerfläche für die Exzenterlager 10 und 11 bleibt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel, einem Motor mit 90 PS Leistung und einem größten Durchmesser von 30 cm beträgt dieser Übergangsradius der Außenfläche der Exzenterwelle 7 bis 8 mm. Da eine solche Umbie­ gung nicht im genannten Umformungsverfahren herstellbar ist, da dann entweder an der Werkzeugkante Scherkräfte auftreten oder der Materialfluß in einer eine gleich­ mäßig starke Wandung der Exzenterwelle 7 erzeugenden Weise möglich ist, muß diese Ausformung des Übergangs­ radius 35 bzw. 36 nachträglich in einem Kaltverformungs­ verfahren, z.B. durch Hämmern oder Pressen erzeugt werden. Auf den dem Synchrongetriebe 29, 30 abgewandten Seiten der Exzenter 8 und 9 kann die Übergangskurve zwischen Exzenter und Welle in einer dem Materialfluß im genannten Umformungsverfahren gemäßen Weise ausge­ bildet sein.

• Bezugszeichenverzeichnis Fig. 1 1 Gehäuse
   2, 3 Seitenteile
   4 Mittelteil
   5, 6 Mantelteile
   7 Exzenterwelle
   8, 9 Exzenter
  10, 11 Exzenterlager
  12, 13 Kolben
  14 Innenraum zu 7
  15, 16 Wellenlager
  17 rechtes Wellenende
  18 Rohr
  19 Umwälzpumpe
  20, 21 Zahnräder
  22 Zuführungsrohr
  23 GehäusedeckelFig. 224 Wellenende
  25 Keilriemenantrieb
  26, 27 Öffnungen in 25
  28 Trennscheibe

Claims (5)

1. Exzenterwelle einer Rotationskolbenbrennkraftma­ schine der Trochoiden-Bauweise mit einem aus einer zweibogigen Mantellaufbahn und Seitenteilen bestehen­ den Gehäuse, das von einer Exzenterwelle durchsetzt ist, auf deren Exzenter ein dreieckiger Kolben in ständigem gleitendem Eingriff seiner Dichtteile an der Mantellaufbahn in einer Planetenbewegung umläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die einstückige Exzenter­ welle (7) einen trommelförmig hohl ausgebildeten Ex­ zenter (8, 9) und rohrförmig hohl ausgebildete Abschnit­ te der Exzenterwelle (7) beiderseits des Exzenters (8, 9) aufweist, die einen gemeinsamen Innenraum der Exzenterwelle (7) bilden, dessen Innenwandung in we­ sentlichen parallel zu der Außenkontur der Exzenter­ welle (7) verläuft.

2. Exzenterwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Synchrongetriebe (26, 31, 33, 30, 32, 34) des Kolbens (14, 13) zuge­ wandte Seite des Exzenters (8, 9) bis auf einen klei­ nen Übergangsradius (35, 36) von 5 bis 10 mm in einer zur Exzenterwelle (7) senkrechten Ebene liegt.

3. Rotationskolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzenterwelle (7) in einem hydraulischen Innendruckumformungsverfahren hergestellt ist.

4. Rotationskolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Exzenterwelle (7) an ihrem offenen Ende (25) durch ein in sie eingepreßtes und mit ihr koaxiales Rohr (18) über das Wellenlager (16) hinaus zur Aufnahme von Abtriebsrädern für Zusatzaggregate verlängert ist.

5. Rotationskolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, 2 dadurch gekennzeichnet, daß ein über ein Wellenlager (16) hinausreichendes Ende (25) der Exzenterwelle (7) Öffnungen (27, 28) für die Zu- und Abführung des flüssigen Kühlmittels aufweist.