DE3728142C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine zusammengesetzte Kurbelwelle, welche die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruches 1 aufweist.

Es ist bekannt (WO 83/01 083, DE-PS 8 48 728, DE-AS 12 07 717), anstelle einer einstückigen Ausbil­ dung einer Kurbelwelle diese aus einzelnen Teilen zusammenzu­ setzen. Diese gegossenen oder geschmiedeten Teile bilden je eine Wange, an die ein Gegengewicht sowie ein Teil der beiden sich an­ schließenden Zapfen angeformt sind. Die Teilung der Zapfen ermög­ licht es, diese hohl auszubilden, wodurch eine beträchtliche Ge­ wichtseinsparung erzielt werden kann. Weitere Vorteile bestehen darin, daß die einzelnen Teile eine wirtschaftlichere Produktion ermöglichen, in unterschiedlicher Anzahl zusammengesetzt werden können, vor dem Verbinden miteinander weitgehend fertig bearbei­ tet werden können und das Einarbeiten von Ölbohrungen erheblich vereinfachen. Es ist sogar möglich, die Ölkanäle zumindest teil­ weise durch eingesetzte Rohre zu bilden.

Üblicherweise werden die einzelnen Teile miteinander verschweißt, vorzugsweise durch Elektronenstrahlschweißung. Der Vorschlag, die einzelnen Teile zu verlöten (WO 83/01 283, DE-AS 12 07 717, DE-PS 8 48 728) ließ sich bisher nicht zufriedenstellend realisieren. Der Grund hierfür dürfte in erster Linie darin zu suchen sein, daß die hohen Beanspruchungen der Verbindungsstellen nur mit einer Schweißverbindung beherrscht werden konnten. Die bekannten, hierfür in Frage kommenden Schweißverfahren erhöhen den Fertigungsaufwand erheblich, was die Vorteile der zusammenge­ setzten Kurbelwelle gegenüber einer einstückigen Kurbelwelle deutlich vermindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zusammengesetzte durch Lötungen verbundene Kurbelwelle bei einfacher Herstellungsmöglichkeit so auszubilden, daß sie eine besonders gute Haltbarkeit aufweist und hinsichtlich ihrer Festigkeit insbesondere mit einstückigen Kurbelwellen vergleichbar ist. Diese Aufgabe löst eine Kurbelwelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Verbindung zwischen den ein­ zelnen Teilen der Kurbelwelle ergibt eine Festigkeit im Bereich der Verbindungsstelle, die gegenüber der Festigkeit des Grundma­ terials nicht reduziert ist. Die Verbindungsstellen können des­ halb überall dort vorgesehen werden, wo sie aus Fertigungsgründen und/oder aus Gründen der angestrebten Eigenschaften der Kurbel­ welle vorteilhafterweise angeordnet sind. Auch die für die ein­ zelnen Teile verwendeten Materialien können es wünschenswert oder notwendig machen, eine Teilung vorzusehen, um einen Verbindungs­ körper aus einem geeigneten, insbesondere die Herstellung einer Lötverbindung gestattenden Material zwischenfügen zu können. Ebenso ermöglicht es die erfindungsgemäße Lösung, für die einzel­ nen Teile unterschiedliche Werkstoffe zu verwenden. Ein weiterer, wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß die Herstellungskosten einer Kurbelwelle nicht wesentlich von der Anzahl der Verbindungsstellen abhängt, weil sämtliche Verbin­ dungsstellen in einem einzigen Arbeitsgang, also gleichzeitig, hergestellt werden können.

Mit der erfindungsgemäßen Kurbelwelle läßt sich deshalb nicht nur ein Optimum zwischen Gestaltsfestigkeit und Gewicht erzielen, wo­ bei die in weiten Grenzen frei wählbare Lage der Teilungsstellen wesentlich größere Möglichkeiten für die optimale Gestaltung der Wangen und Zapfen bietet, als dies der Fall ist, wenn die Tei­ lungsstellen in Zapfenmitte liegen müssen. Auch hinsichtlich der Fertigungskosten werden die sich aus der Fertigung der Einzel­ teile ergebenden Vorteile durch deren Verbindung nicht wieder zu­ nichte gemacht. Hinzu kommt noch, daß bei der erfindungsgemäßen Kurbelwelle die Kurbelzapfen schon vor der Herstellung der Löt­ verbindungen in das Auge des zugeordneten Pleuels eingesetzt wer­ den können, wodurch keine geteilten Pleuelaugen erforderlich sind, was zu einer weiteren Massenreduzierung führt. Aus dem gleichen Grunde ist es in einfacher Weise möglich, zwischen Zap­ fen und Lagerschale eine Lagerbuchse aus einem Keramikmaterial, beispielsweise Oxid-Keramik, anzuordnen. Eine Ölschmierung ist dann nicht mehr erforderlich. Außerdem vermindern sich die Lauf­ geräusche der Maschine.

Hochtemperaturlöten im Vakuum und anschließendes Lösungs- und Diffusionsglühen ist zwar bekannt (Degussa-Firmenschrift MH 95-0-15-1283 H, Heft 37, S. 309). Außerdem ist es bekannt (Degussa-Firmenschrift MH 39-0-3-473 H, Heft 10, S. 75), beim Löten Lötformteile zu verwenden. In Verbindung mit zusammengesetzten lassen sich diese Merkmale aber dem Stand der Technik nicht entnehmen.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Höchste Festigkeit der Lötverbindung erhält man dann, wenn die Verbindungsflächen so gestaltet sind, daß sich der zunächst vor­ handene, zur Aufnahme der Lotes erforderliche Spalt gegen den Wert Null verringern kann. Besonders vorteilhaft ist deshalb dann, wenn die Trennstelle im Bereich der Zapfen liegt, eine Ge­ staltung der Verbindungsflächen gemäß Anspruch 2.

Sofern ein Teil eines Zapfens einstückig mit der zugehörigen Wange ausgebildet ist, ist eine Gestaltung der Verbindung gemäß den Ansprüchen 3 und 4 besonders vorteilhaft, wobei ein zusätz­ licher Zapfenteil oder mehrere zusätzliche Zapfenteile außerdem für die Realisierung einer relativ großen Zapfenlänge für eine Verbindung von Zapfenteilen, die wegen des Materials, aus dem sie bestehen, nicht unmittelbar, sondern nur unter Zwischenfügung ei­ nes anderen Materials, miteinander verlötet werden können, und für Reparaturzwecke wesentliche Vorteile bietet.

Der äußerst geringe Verzug, der sich bei der erfindungsgemäßen Kurbelwelle erreichen läßt, erlaubt es in Verbindung mit der ge­ teilten Ausbildung der Kurbelwelle, auf den Zapfen eine Keramik­ buchse anzuordnen. In diesem Falle wird keine Ölschmierung benö­ tigt. Unabhängig davon, ob die Lagerbuchsen aus Keramik, insbe­ sondere Oxid-Keramik Verwendung finden, ist es bei der erfin­ dungsgemäßen Kurbelwelle ferner möglich, beim Zusammensetzen der Kurbelwelle auf den Kurbelzapfen ein ungeteilt ausgeführtes Auge eines Pleuels aufzuschieben. Ein derartiges Pleuel hat eine we­ sentlich geringere Masse als ein solches mit geteiltem Auge, was zu weiteren, wesentlichen Vorteilen führt, einschließlich eines ge­ ringeren Platzbedarfes.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Kurbelwelle besteht darin, daß sich unmittelbar an den Lötvorgang eine Wärmebehand­ lung der Teile und, soweit erforderlich, des Lotes anschließen kann. Hierzu braucht nur der Abkühlungsvorgang entsprechend ge­ steuert zu werden. Man kann daher beispielsweise die Vergütung während des Abkühlungsvorganges vornehmen, die bei den bekannten Verfahren in einem separaten Arbeitsgang vorgenommen werden muß.

Ebenfalls von erheblicher Bedeutung ist ferner die Möglichkeit, während des Abkühlvorgangs auf die Kurbelwelle gasförmigen Stick­ stoff zum Zwecke der Nitrierung einwirken zu lassen. Da diese Nitrierung bei wesentlich höherer Temperatur erfolgen kann als die übliche Nitrierung in einem Bad, erfolgt sie in einem wesent­ lich kürzeren Zeitraum, und man kann deshalb beispielsweise in einem Zeitraum von 15 bis 20 Minuten eine so starke Nitrierung erreichen, daß bei einer anschließenden Fertigbearbeitung noch eine ausreichende dicke, nitrierte Schicht übrigbleibt.

Vorteilhaft ist auch, daß alle Lötverbindungen der Kurbelwelle gleichzeitig hergestellt werden können. Da die einzelnen Teile mittels einer Haltevorrichtung in der richtigen Position gehalten werden können, werfen auch Kurbelwellen mit einer relativ großen Anzahl von Einzelteilen keine Probleme auf.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die zwischen die einander zugeordneten Verbindungsflächen eingelegte Lötfolie gestanzt oder tiefgezogen, um die gewünschte Form zu haben. Derartige Lötfolien vereinfachen den Zusammenbau der Kurbelwelle.

Damit sich, wenn das Lot schmilzt, die Fugen schließen, setzt man die zu verbindenden Teile einer entsprechenden Belastung aus. Diese Belastung kann auch durch das Gewicht der einzelnen Teile aufgebracht werden.

Im folgenden ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte, unvollstän­ dige Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 eine teilweise im Schnitt dargestellte, unvollstän­ dige Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Kurbelwelle könnte die Zahl der Hauptlagerzapfen und Kurbelzapfen auch anders gewählt sein. Es ist sogar möglich, was auch für das andere Ausführungsbeispiel gilt, unterschiedliche Kurbelzapfen vorzusehen, beispielsweise solche mit unterschiedlichem Hub, um zwei oder mehr Hubkolbenma­ schinen mit einer einzigen Kurbelwelle auszurüsten.

Sowohl die Hauptlagerzapfen 108 als auch jeder vorhandene Kurbel­ zapfen 105 besteht aus zwei an die zugehörigen Wangen 103 ange­ formten Teilen 107 und 107′ bzw. 106 und 106′. Die Teile 106 und 107 haben als Verbindungsfläche je einen Außenkonus, der sich von der Außenmantelfläche bis zu der zur Zapfenlängsachse konzentri­ schen Innenmantelfläche erstreckt. Der Außenkonos braucht jedoch nicht, wie dargestellt, die gesamte Außenmantelfläche der Teile 106 bzw. 107 zu bilden. Diese könnte auch einen Abschnitt mit einer zylindrischen Außenmantelfläche aufweisen.

Die Teile 106′ und 107″ bilden je einen Innenkonus, der an den zugeordneten Außenkonus angepaßt ist, wodurch beiden Konusflächen in Anlage aneinander kommen können.

Die im Bereich ihrer Zapfen bis auf das Fertigschleifen bearbeiteten und mit den erforderlichen Ölbohrungen versehenen Teile werden in der richtigen Winkellage zusammengesetzt, wobei eine paßgenaue Aufnahmevorrichtung die Teile in dieser Position hält.

Beim Zusammensetzen der Kurblwelle für den Lötvorgang wird je ei­ ne kegelstumpfförmige Lötfolie aus einem Lotmaterial auf Kupfer­ basis oder Nickelbasis zwischen die einander zugeordneten Konus­ flächen eingelegt. Anschließend wird die zusammengesetzte Kurbelwelle im Vakuum oder Hochvakuum auf die erforderliche Temperatur erwärmt, die über 600°C beträgt und vorzugsweise im Bereich von 1000°C liegt.

Eine lotrechte Anordnung der Kurbelwelle im Vakuum-Lötofen ge­ nügt, daß sich beim Schmelzen des Lotes die zusammengehörenden Verbindungsflächen soweit gegeneinander bewegen, daß der zunächst vorhandene Spalt sich gegen den Wert Null hin reduziert, was zu­ sammen mit der hohen Temperatur und der Ausführung des Lötvor­ gangs im Vakuum oder Hochvakuum zu einer Diffusionsverbindung mit Legierungsbildung führt, welche eine Festigkeit gibt, die derje­ nigen des Grundmaterials gleicht. Während des an die Herstellung der Lötverbindung sich anschließenden Abkühlungsvorgangs erfolgt ein Vergüten des Grundmaterials und der Lötstellen, sowie, falls erforderlich, ein Nitrieren.

Ölbohrungen 112 verbinden die Hohlräume der Hauptlagerzapfen und Kurbelzapfen. Wie Fig. 7 zeigt, können die die Kurbelzapfen durchdringenden Ölbohrungen 113 in Umfangsrichtung gegenüber der Stelle maximaler Exzentrizität versetzt sein, was die Ölfilmbil­ dung im Bereich der höchsten Belastung verbessert.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von dem­ jenigen gemäß Fig. 1 nur durch eine andere Ausbildung der Verbin­ dungsflächen der Kurbelzapfen 205 und der Hauptlagerzapfen 208 sowie der Anordnung der Ölbohrungen der Kurbelzapfen. Wegen der übrigen Einzelheiten wird deshalb auf die vorausgehenden Ausfüh­ rungen Bezug genommen.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 können gleich ausgebil­ dete Einzelteile verwendet werden, weil die an die Wangen 203 an­ geformten Zapfenteile 206 bzw. 207 gleich sind. Ihre eine Verbin­ dungsfläche bildende Außenmantelfläche bildet je einen Außen­ konus, der sich bis zu der zylindrischen Innenmantelfläche er­ streckt. Je ein Ringkörper 217 bzw. 218 hat zwei an die Außen­ konusse der Kurbelzapfenteile 206 bzw. der Hauptlagerzapfenteile 207 angepaßte Innenkonusflächen und zylindrische Mantelflächen. Selbstverständlich wäre es aber auch möglich, die Verbindungs­ flächen der Zapfenteile als Innenkonus und diejenigen des Ring­ körpers als Außenkonus auszubilden. Ebenso wäre es möglich, den Ringkörper mit einem Außenkonus und einem Innenkonus zu versehen und dementsprechend die Verbindungsflächen des einen Zapfenteils als Außenkonus, diejenige des anderen Zapfenteils als Innenkonus auszubilden.

Wie Fig. 2 zeigt, wird der Kurbelzapfen 206 von zwei Ölbohrungen 213 in radialer Richtung durchdrungen. Statt dieser beiden Öl­ bohrungen können aber auch nur eine einzige vorgesehen sein, und außerdem können die Ölbohrungen in Umfangsrichtung versetzt ge­ genüber der Stelle maximaler Exzentrizität liegen.

Sind, wie in Fig. 2 dargestellt, zwei Ölbohrungen 213 vorgesehen, welche den einen bzw. anderen Kurbelzapfenteil 206 durchdringen, dann können diese Ölbohrungen zur Positionierung der miteinander zu verbindenden Teile der Kurbelwelle verwendet werden. Vorteil­ hafterweise verwendet man hierzu je einen Stift, der in jede der Ölbohrungen eingesteckt wird, eine Hülse aus Lötmaterial trägt, dessen Dicke gleich der Differenz zwischen dem Durchmesser der Ölbohrung und dem Durchmesser des Stiftes ist, und dessen Ober­ fläche so behandelt ist, daß sie sich nicht mit dem Lot verbin­ det. Der Stift verhindert deshalb nicht, daß sich beim Schmelzen des Lotes die konischen Verbindungsflächen so weit nähern, daß der zuvor vorhandene Spalt praktisch auf den Wert Null reduziert wird.

Claims (10)

1. Zusammengesetzte Kurbelwelle mit Teilungsstellen im Bereich der Kurbel- und Pleuelzapfen, deren Einzelteile im Bereich der Verbindungsflächen an den Teilungsstellen miteinander verlötet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsflächen zumindest in einem Teilbereich eine konische Form haben, daß die Lötverbindungen als Hochtemperaturlötungen im Vakuum ausgeführt sind und daß dazu vor dem Löten zwischen je zwei einander zugeordnete Verbindungsflächen eine Lötfolie eingelegt ist.

2. Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Ausbildung des Zapfens (105, 108; 205, 208) als Hohlkörper die konischen Verbindungsflächen sich durchgehend zwischen der Außen- und Innenmantelfläche des Zapfens (195, 108; 205, 208) erstrecken.

3. Kurbelwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Zapfen (205, 208) aus je einem an jeder der beiden benachbarten Wangen (203) vorgesehenen ersten Zapfenteil (206, 207) und mindestens einem diese miteinander verbindenden zweiten Zapfenteil (217, 218) besteht.

4. Kurbelwelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zapfenteil (217, 218) zwei konische Verbindungsflächen aufweist, die zwei Innenkonen, zwei Außenkonen oder einen Innenkonus und einen Außenkonus bilden.

5. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der zu verlötenden Teile induktiv und/oder mittels Infrarotstrahlung ausgeführt ist.

6. Kurbelwelle nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine im Anschluß an den Lötvorgang ausgeführte Wärmebehandlung der Lötstellen.

7. Kurbelwelle nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine während der sich an den Lötvorgang anschließenden Abkühlung der Kurbelwelle ausgeführte Vergütung durch einen gesteuerten Temperaturverlauf.

8. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle Lötverbindungen gleichzeitig hergestellt sind.

9. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötfolie gestanzt und/oder tiefgezogen ist.

10. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander zu verbindenden Teile einer beim Schmelzen des Lotes die Verbindungsflächen gegeneinander bewegenden Belastung ausgesetzt sind.