DE3809789A1 - Crankshaft - Google Patents

Crankshaft

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DE3809789A1 DE19883809789 DE3809789A DE3809789A1 DE 3809789 A1 DE3809789 A1 DE 3809789A1 DE 19883809789 DE19883809789 DE 19883809789 DE 3809789 A DE3809789 A DE 3809789A DE 3809789 A1 DE3809789 A1 DE 3809789A1
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C9/00—Bearings for crankshafts or connecting-rods; Attachment of connecting-rods
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    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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  • Shafts, Cranks, Connecting Bars, And Related Bearings (AREA)

Abstract

Known crankshafts have the disadvantage that their individual elements (main bearings, big-end bearings, fillet radii, crank webs) have different life expectancies due to the difference in loading. The crankshaft according to the invention is distinguished by the fact that the maximum stresses on the material at all the offsets of the crankshaft are essentially equal and that, at the same time, the minimum lubricating-film thicknesses of all the sliding-contact bearings are essentially equal.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kurbelwelle und Ver­ fahren zur Auslegung einer Kurbelwelle gemäß den Oberbe­ griffen der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to a crankshaft and Ver drive to design a crankshaft according to the Oberbe handles the independent claims.

Bekannte Kurbelwellen sind nach den Berechnungsgrundlagen der Statik- und Festigkeitslehre so ausgelegt, daß die an einer Stelle der Kurbelwelle ermittelte höchste Belastung für die Gesamtauslegung der Kurbelwelle zugrundegelegt wird. Dabei wird die Biegespannung in den Kröpfungen der Kurbelwelle mit einem "statisch bestimmten" Rechenansatz separat berechnet, um dann zusammen mit den ermittelten Schubspannungen (Torsion) die Spitzenspannungen zu ermit­ teln. Es ergeben sich bekanntermaßen für die Schubspannung entlang der Kurbelwelle unterschiedliche Werte. Dies führt folglich dazu, daß zumindst aufgrund des sich ändernden Verlaufs der Schubspannungen entlang der Kurbelwelle auch die auftetenden Spitzenspannungen entlang der Kurbelwelle unterschiedlich sind. Somit ist aber eine gleichmäßige Belastung der einzelnen Elemente einer Kurbelwelle (Grund­ lager, Pleuellager und Kurbelwangen) nicht gewährleistet, da entweder eine Über- oder Unterdimensionierung vorliegt, was zumindest bezüglich des Gewichts oder des Verschleißes und der Haltbarkeit nachteilig ist. Known crankshafts are based on the calculation bases the statics and strength theory designed so that the the highest load determined at one point on the crankshaft used for the overall design of the crankshaft becomes. The bending stress in the cranks of the Crankshaft with a "statically determined" calculation approach calculated separately, then together with the determined Shear stresses (torsion) to determine the peak stresses teln. As is known, this results for the shear stress different values along the crankshaft. this leads to consequently, at least due to the changing The course of the shear stresses along the crankshaft too the occurring peak voltages along the crankshaft are different. But this is an even one Loading of the individual elements of a crankshaft (reason bearings, connecting rod bearings and crank webs) not guaranteed, because there is either an oversizing or undersizing, what at least in terms of weight or wear and the durability is disadvantageous.  

Das gleiche Phänomen tritt auf, wenn man die Biegebean­ spruchung der einzelnen Kröpfungen einer Kurbelwelle unter Zugrundelegung eines Durchlaufträgers mit statisch unbe­ stimmter Auflagerung - hier insbesondere in Verbindung mit der Berechnung des instationär belasteten Gleit­ lagers - nachrechnet. Man findet von Kröpfung zu Kröpfung unterschiedliche Belastungen, so daß die Superponierung der von Kröpfung zu Kröpfung unterschiedlichen Biege- und Torsionsbeanspruchungen bei gleichen Kröpfungen zu einer ungleichmäßig belasteten Kurbelwelle führt. Die heutige (wesentliche) Gleichheit der Kröpfungen ist deshalb kein physikalischer Zwang, allenfalls ein fertigungstechnischer Wunsch. Bei Ausnutzung aller Resourcen ist die heute üb­ liche Bauart von Kurbelwellen jedoch weder baugrößen- noch kostenoptimal.The same phenomenon occurs when spruchung a crankshaft on the basis of a continuous beam with statically indeterminate Bearing of the individual cranks the Biegebean - recalculates - in particular in connection with the calculation of the non-steady-loaded sliding bearing. There are different loads from crank to crank so that the superposition of the bending and torsional stresses that vary from crank to crank leads to an unevenly loaded crankshaft with the same crank. Today's (essential) equality of the cranks is therefore not a physical constraint, at best a manufacturing wish. If all resources are used, however, the design of crankshafts that is common today is neither optimal in terms of size nor cost.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kurbelwelle bereitzustellen, die bezüglich des Lagertragverhaltens (Verschleißes) und der Dauerhaltbarkeit und Zuverlässig­ keit ihrer einzelnen Elemente (Grundlager, Pleuellager und Kurbelwangen) auf gleiche Lebensdauererwartungen optimiert ist.The invention has for its object a crankshaft to provide that regarding bearing behavior (Wear) and durability and reliable of their individual elements (base bearing, connecting rod bearing and Crank webs) optimized for the same life expectancy is.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Auslegungsverfahren nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, daß die maximalen Werkstoffanstrengungen der Kurbelwelle unter Zugrundelegung der zu übertragenden Belastungen so bemessen werden, daß die Spitzenspannungen aller Kröpfungen im wesentlichen gleich groß sind und gleichzeitig die minimalen Schmierfilmdicken aller Gleitlager im wesentli­ chen gleiche Werte aufweisen. Durch diese Auslegung ist der Verschleiß an allen verschleißgefährdeten Elementen (Lager) der Kurbelwelle gleich, als auch die von der unterschiedlichen Wechelbelastungen bestimmte Haltbarkeit der Kurbelwelle (Hohlkehlen der Kurbelwangen, Ölbohrungen) auf insgesamt gleiche Lebensdauererwartungen optimiert.This task is carried out according to the design procedure according to characterizing part of claim 1 solved by that the maximum material effort of the crankshaft based on the loads to be transferred be measured that the peak tensions of all offsets are essentially the same size and at the same time the minimal lubricating film thicknesses of all plain bearings essentially Chen have the same values. By this interpretation is the wear on all wear-prone elements (Bearing) the crankshaft the same as that of the  different alternating loads certain durability the crankshaft (fillets of the crank webs, oil holes) optimized for the same life expectancy.

Die Berechnungsgrundlage für die Bemessung einer solchen optimierten Welle ist die Berechnung der Grundlagerreak­ tionen der als Durchlaufträger gedachten Kurbelwelle. Diese mehrfachgelagerte Welle in spielbehafteten, insta­ tionär belasteten Gleitlagern (hydrodynamische Reaktions­ wirkungen) weist von Kröpfung zu Kröpfung infolge der Momentenübertragung in den Zapfen unterschiedliche Biege­ spannungsverläufe und somit - bei gleichen Kröpfun­ gen - unterschiedliche Spannungsverläufe auf. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß bei der bisher vorgenommenen Einzelbestimmung der Spannungen aus Gas- und Massenkräften in den einzelnen Kröpfungen bei einer Kurbelwelle mit mindestens drei Grundlagern und zwei Kröpfungen die Span­ nungen einander beeinflussen und daher die Einzelbestim­ mung dieser Komponenten ungenau ist. Daher wird das wei­ terbildende Bestimmungsverfahren angewendet, da mit einem derartigen Verfahren die gegenseitige Beeinflussung der Spannungen in den einzelnen Kröpfungen ermittelt werden kann. Zu berücksichtigen ist, daß bei einer räumlichen Belastung einer Kurbelwelle mit zumindest drei Grundlagern die vier Gleichgewichtsbedingungen der Statik nicht mehr ausreichen, um die unbekannten Komponenten der Lagerkräfte zu ermitteln. Diese entsprechen der doppelten Zahl der Grundlager. Als zusätzliche Bedingung muß die Biegelinie der Kurbelwelle an jeder Gleitlagerstelle innerhalb eines "Spielzylinders" mit dem Durchmesser des Lagerspiels und der Länge der Lagerbreite liegen. Das bedeutet, daß die Biegelinie der Kurbelwelle durch die in der Mittelebene der Gleitlager liegenden Punkte gehen muß, wobei die Punkte die gleichen Kurbelwellenmittelpunkte sind, die bei der Druckberechnung verwendet werden. Diese Bedingung verursacht zusätzliche Lagerkräfte, die vom elastischen Verhalten der Kurbelwelle abhängig sind und nicht mehr - wie im statisch bestimmten Fall - allein mit Hilfe der Gleichgewichtsbedingungen berechenbar sind. Die hydro­ dynamischen Lagerkräfte müssen jetzt mit den nach den Methoden der Elastomechanik unter Berücksichtigung des elastischen Verhaltens der Welle berechneten Lagerkräften übereinstimmen. Lagerungen dieser Art werden als Mehrfach­ gleitlagerungen bezeichnet. Für die Berechnung der Lager­ kräfte und engsten Schmierspalte werden - wie zuvor ausge­ führt - die Methoden der Elastomechanik und der hydrodyna­ mischen Schmiermitteltheorie, die Grundlage für die Be­ stimmung der hydrodynamischen Lagerkräfte ist, zugrundege­ legt. Dabei müssen beide Theorien zusammen folgende Bedin­ gungen erfüllen:The calculation basis for the dimensioning of such an optimized shaft is the calculation of the base bearing reactions of the crankshaft intended as a continuous beam. This multi-bearing shaft in play-loaded, unsteadily loaded slide bearings (hydrodynamic reaction effects) has different bending stress curves from crank to crank as a result of the torque transmission in the journal and thus - with the same crankings - different stress curves. It has been found that in the individual determination of the voltages from gas and inertial forces in the individual crankings in a crankshaft with at least three base bearings and two crankings, the voltages influence one another and the individual determination of these components is therefore inaccurate. The further-developing determination method is therefore used, since the mutual influence of the tensions in the individual crankings can be determined using such a method. It must be taken into account that when a crankshaft is loaded with at least three basic bearings, the four equilibrium conditions of the statics are no longer sufficient to determine the unknown components of the bearing forces. These correspond to twice the number of basic camps. As an additional condition, the bending line of the crankshaft must lie at each slide bearing point within a "play cylinder" with the diameter of the bearing play and the length of the bearing width. This means that the bending line of the crankshaft must go through the points lying in the central plane of the plain bearings, the points being the same crankshaft centers that are used in the pressure calculation. This condition causes additional bearing forces, which depend on the elastic behavior of the crankshaft and not - as in the static specific case - can be calculated solely by means of the equilibrium conditions. The hydrodynamic bearing forces must now match the bearing forces calculated using the methods of elastomechanics, taking into account the elastic behavior of the shaft. Bearings of this type are referred to as multiple plain bearings. As previously stated, the methods of elastomechanics and hydrodynamic lubricant theory, which are the basis for determining the hydrodynamic bearing forces, are used to calculate the bearing forces and the narrowest lubrication gaps. Both theories must meet the following conditions together:

  • - Gleichgewichtsbedingungen aller an der Kurbelwelle wirkenden Kräfte und Momente- Equilibrium conditions of all on the crankshaft acting forces and moments
  • - Stetiger Verlauf der Biegelinie der Kurbelwelle- Continuous course of the bending line of the crankshaft
  • - Verwendung identischer Positionen der Kurbelwellen­ mittelpunkte an den Lagerstellen bei der Berechnung der elastostatischen und der hydrodynamischen Lagerkräfte- Using identical positions of the crankshafts center points at the bearing points in the calculation the elastostatic and the hydrodynamic Bearing forces
  • - Übereinstimmung der elastostatischen und hydrody­ namischen Lagerkräfte nach Betrag und Richtung an allen Gleitlagerstellen.- Correspondence of the elastostatic and hydrody Named warehouse staff by amount and direction all plain bearings.

Die aus den Theorien und Bedingungen aufgestellten Berech­ nungsvorschriften werden vorteilhaft in ein Rechenprogramm eingebracht, mit dem die erfindungsgemäß herzustellende Kurbelwelle bezüglich ihrer Abmessungen bestimmbar ist.The computed from the theories and conditions Specifications are advantageous in a computer program introduced with which to be produced according to the invention Crankshaft can be determined in terms of its dimensions.

Schließlich werden erfindungsgemäß die Abmessungen der Kurbelwelle iterativ solange variiert, bis die Werkstoff­ anstrengungen aller Kröpfungen im wesentlichen gleich groß sind und gleichzeitig die minimalen Schmierfilmdicken aller Gleitlager im wesentlichen gleiche Werte aufweisen. Eine derart hergestellte Kurbelwelle bietet bei einem minimalen Materialeinsatz und bei einem minimalen Bauvolu­ men eine gleichmäßig hohe, gewünschte Zuverlässigkeit.Finally, according to the invention, the dimensions of the The crankshaft varies iteratively until the material efforts of all cranks are essentially the same and at the same time the minimum lubrication film thickness all plain bearings have essentially the same values. A crankshaft manufactured in this way offers one minimal use of materials and minimal construction volume consistently high, desired reliability.

Eine erfindungsgemäß hergestellte Kurbelwelle kann nach zwei Hauptkriterien gemäß Anspruch 3 oder 4 ausgelegt sein. Bei der nach Patentanspruch 3 ausgelegten Kurbelwel­ le sind die Lagerdurchmesser auf jeweils vorbestimmte, für alle Grundlager untereinander gleiche Werte und für alle Pleuellager untereinander gleiche Werte festgelegt. Dabei können die Durchmesserwerte der beiden Lagerarten gleich sein. Ausgehend von dem festliegenden Lagerdurchmesser werden dann die jeweiligen Abstände zwischen benachbarten Lagern gleichen Durchmessers so ausgelegt, daß die maxima­ len Werkstoffanstrengungen aller Kröpfungen im wesentli­ chen gleich groß sind und gleichzeitig die minimalen Schmierfilmdicken aller Gleitlager im wesentlichen gleiche Werte aufweisen. Dabei sind je nach Erfordernis die Brei­ ten der Kurbelwangen unterschiedlich ausgelegt oder die Lagerbreiten der Grundlager und/oder der Pleuellager un­ terschiedlich bemessen. A crankshaft manufactured according to the invention can be designed two main criteria according to claim 3 or 4 be. In the crankshaft designed according to claim 3 le are the bearing diameters to predetermined, for all base camps have the same values among themselves and for everyone Conrod bearings set the same values among themselves. Here the diameter values of the two bearing types can be the same be. Based on the fixed bearing diameter then the respective distances between neighboring ones Bearings of the same diameter designed so that the maxima len material efforts of all offsets essentially are the same size and at the same time the minimum Lubricant film thicknesses of all plain bearings are essentially the same Have values. Depending on the requirement, the porridge The crank arms are designed differently or the Bearing widths of the base bearings and / or the connecting rod bearings dimensioned differently.  

Weiterhin ist es auch vorgesehen, sowohl die Breiten der Kurbelwangen als auch die Lagerbreiten von Grundlagern und/oder Pleuellagern jeweils unterschiedlich zu bemessen, so daß ein Motor mit unterschiedlichen Zylinderabständen resultiert.Furthermore, it is also provided, both the widths of the Crank cheeks as well as the bearing widths of basic bearings and / or connecting rod bearings to be dimensioned differently, so that an engine with different cylinder distances results.

Bei einer Kurbelwelle gemäß Patentanspruch 4 sind die Abstände zwischen benachbarten Lagern gleicher Art auf vorherbestimmte Werte festgelegt. Diese Abstände können beispielsweise durch vorgegebene feste Zylinderabstände bestimmt sein. Bei einer derartigen Kurbelwelle werden die Durchmesser der Lager jeweils für sich derart unterschied­ lich ausgelegt, daß wiederum die maximalen Werkstoffan­ strengungen aller Kröpfungen im wesentlichen gleich groß sind und gleichzeitig die minimalen Schmierfilmdicken aller Gleitlager im wesentlichen gleiche Werte aufweisen. Im Extremfall kann hierbei jedes Lager mit einem unter­ schiedlichen Durchmesser bestimmt sein, wobei allerdings vorteilhaft Lager, die nur geringe unterschiedliche Lager­ durchmesser aufweisen müßten, einheitlich ausgelegt werden können.In a crankshaft according to claim 4, the Distances between adjacent camps of the same type predetermined values set. These distances can for example, by predetermined fixed cylinder distances be determined. With such a crankshaft Diameter of the bearing each so different Lich designed that in turn the maximum material strains of all cranks essentially the same size and at the same time the minimum lubrication film thickness all plain bearings have essentially the same values. In extreme cases, each bearing can have one under different diameters can be determined, although advantageous bearings that have only slight different bearings diameter would have to be interpreted uniformly can.

Insgesamt können die Kurbelwellen je nach vorgegebenen Randbedingungen (Abstand konstant, etc.) sehr verschieden ausgebildet sein, aber bezüglich der Haltbarkeit bzw. des Verschleißes ihrer einzelnen Elemente auf gleiche Lebens­ dauererwartungen optimiert sein.Overall, the crankshafts can be set according to Boundary conditions (constant distance, etc.) vary widely be formed, but in terms of durability or Wear of their individual elements on same life long-term expectations be optimized.

Claims (4)

1. Verfahren zur Auslegung einer Kurbelwelle, insbe­ sondere für eine Hubkolbenmaschine, wobei die Kurbelwelle als Gleitlager ausgebildete Grundlager und Pleuellager sowie die die Wellenzapfen verbindende Kurbelwangen auf­ weist und die Kurbelwelle zumindest zwei Kröpfungen und zumindest drei Grundlager hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der verschie­ denen Kröpfungen einer Kurbelwelle unter Zugrundelegung der örtlich auftretenden Belastung der Kurbelwelle so bemessen werden, daß die maximalen Werkstoffanstrengungen aller Kröpfungen im wesentlichen gleich groß sind und gleichzeitig die minimalen Schmierfilmdicken aller Gleit­ lager im wesentlichen gleiche Werte aufweisen.1. A method for designing a crankshaft, in particular for a reciprocating piston engine, the crankshaft being designed as a plain bearing base bearing and connecting rod bearing and the crankshaft connecting the shaft journals, and the crankshaft has at least two crankings and at least three base bearings, characterized in that the dimensions of the Various crankshaft crankshafts are dimensioned based on the local load on the crankshaft so that the maximum material effort of all crankshafts is essentially the same size and at the same time the minimum lubricating film thicknesses of all plain bearings have essentially the same values. 2. Verfahren zur Auslegung einer Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beanspruchungen in den Kröpfungen aus den Biegespannungen der als statisch unbe­ stimmt gelagerten Durchlaufträger auf hydrodynamischen, instationär belasteten Gleitlagern gedachten Kurbelwelle und den Torsionsspannungen ermittelt werden. 2. Procedure for designing a crankshaft Claim 1 characterized in that the stresses in the Cranks from the bending stresses as statically unrelated correctly positioned continuous beam on hydrodynamic, Crankshaft intended for transiently loaded plain bearings and the torsional stresses are determined.   3. Kurbelwelle, insbesondere für eine Hubkolbenma­ schine, wobei die Kurbelwelle als Gleitlager ausgebildete Grundlager und Pleuellager sowie die die Wellenzapfen verbindende Kurbelwangen aufweist und die Kurbelwelle zumindest zwei Kröpfungen und zumindest drei Grundlager hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerdurchmesser auf je­ weils vorbestimmte, für alle Grundlager untereinander gleiche Werte und für alle Pleuellager untereinander glei­ che Werte festgelegt sind, die jeweiligen Abstände aber zwischen benachbarten Grundlagern resultierend aus Wangen­ breiten, Hohlkehlradien und Lagerbreiten derart ausgelegt sind, daß die maximalen Werkstoffanstrengungen aller Kröpfungen im wesentlichen gleich groß sind und gleichzei­ tig die minimalen Schmierfilmdicken aller entsprechenden Gleitlager im wesentlichen gleiche Werte aufweisen.3. Crankshaft, especially for a reciprocating piston machine, the crankshaft being designed as a plain bearing Base bearings and connecting rod bearings as well as the shaft journals connecting crank arms and the crankshaft at least two offsets and at least three base camps Has, characterized in that the bearing diameter on each because predetermined, for all base camps with each other same values and the same for all connecting rod bearings values are defined, but the respective distances between adjacent base camps resulting from cheeks wide, fillet radii and bearing widths designed in this way are that the maximum material effort everyone Cranks are essentially the same size and at the same time the minimum lubrication film thicknesses of all corresponding ones Plain bearings have essentially the same values. 4. Kurbelwellen, insbesondere für eine Hubkolbenma­ schine, wobei die Kurbelwelle als Gleitlager ausgebildete Grundlager und Pleuellager sowie die die Wellenzapfen verbindende Kurbelwangen aufweist und die Kurbelwelle zumindest zwei Kröpfungen und zumindest drei Grundlager hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen benach­ barten Grundlagern gleiche Werte aufweisen, jedoch Zapfen­ durchmesser, Wangenabmessungen und Hohlkehlenradien derart unterschiedlich ausgelegt werden, daß die maximalen Werk­ stoffanstrengungen aller Kröpfungen im wesentlichen gleich groß sind und gleichzeitig die minimalen Schmierfilmdicken aller entsprechenden Gleitlager im wesentlichen gleiche Werte aufweisen.4. Crankshafts, especially for a reciprocating piston machine, the crankshaft being designed as a plain bearing Base bearings and connecting rod bearings as well as the shaft journals connecting crank arms and the crankshaft at least two offsets and at least three base camps Has, characterized in that the distances between neighboring beard base camps have the same values, but cones diameter, cheek dimensions and fillet radius such be interpreted differently that the maximum work fabric efforts of all cranks essentially the same are large and at the same time the minimum lubricating film thickness all corresponding slide bearings essentially the same Have values.
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