DE4333336C2 - Kurbelwelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle und ein Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle nach den Ansprüchen 1 bzw. 5.

Eine derartige Kurbelwelle ist bereits aus der DE 39 19 609 A1 der Anmelderin als Teil eines in dieser Druck­ schrift beschriebenen besonderen Kurbeltriebs bekannt. Dieser besondere Kurbeltrieb für Arbeits- und Kraftmaschi­ nen weicht von herkömmlichen Kurbeltrieben ab, wie sie beispielsweise in Automotoren eingesetzt werden, da sämt­ liche Kurbelzapfen in einer gemeinsamen Drehebene liegen, so daß sich mehrere Zylinder kranzförmig, wie bei einem Sternmotor, um den Kurbeltrieb anordnen lassen. Die be­ kannte Kurbelwelle als Teil des Kurbeltriebs ist dabei aus mehreren aneinander befestigbaren Keramikteilen herstell­ bar. Die Anforderung an die Steifigkeit der bekannten Kur­ belwelle ist aufgrund der besonderen Anordnung der Zylin­ der und des gesamten Kurbeltriebs nicht so hoch wie bei Arbeits- und Kraftmaschinen, bei denen die Kolben neben­ einander liegen und es besonders auf die Steifigkeit der Kurbelwelle ankommt. Oft sind deshalb in letzterem Fall auch Mehrfachlagerungen der Kurbelwelle nötig, um übermäßige Durchbiegungen der Kurbelwelle zu vermeiden.

Die DE 10 22 426 AS zeigt eine hohle Kurbelwelle, die jedoch aus Sphäroguß besteht und eine Form hat, die bei der Herstel­ lung einer Kurbelwelle aus Keramik nicht anwendbar ist.

Die DE 6 78 539 PS betrifft eine hohle Kurbelwelle, die im Wege des Gießens hergestellt wird und aus einem einzigen Gußstück besteht. Die Ausbildung als Hohlkurbelwelle dient dabei dem Zweck, gegenüber der bekannten Vollgußkurbelwelle Gewichtser­ sparnisse zu erzielen. Zur weiteren Gewichtsersparnis können auch unterschiedliche Wandstärken gegossen werden, zum Beispiel derart, daß die größere Wandstärke im Bereich des Schwungrads oder der Abnahmseite der Arbeit liegt. Die Anordnung des Hohl­ raums kann durch die unterschiedlichen Wandstärken zwar exzen­ trisch werden, das ergibt sich jedoch im Hinblick auf die ange­ strebte Gewichtsersparnis, nicht aber mit dem Zweck, eine Aus­ wuchtmöglichkeit zu schaffen.

Die DE 37 41 689 A1 beschreibt die Herstellung von Formteilen aus keramischem Material mit eingebetteter Armierung, wobei es sich bei den Formteilen um Turbinenschaufeln handeln soll. Das dafür in der DE 37 41 689 A1 offenbarte Verfahren ist für die Herstellung von Kurbelwellen jedoch nicht geeignet.

Die DE 42 02 953 A1 zeigt die Herstellung eines Sägeblattes aus Keramikpulver und Bindemittel durch Spritzgießen. Eine einstüc­ kige Keramikkurbelwelle kann durch Spritzgießen jedoch nicht in einer wünschenswerten Festigkeit und Steifigkeit hergestellt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kurbelwelle nach Anspruch 1 so zu verbessern, daß diese eine höhere Steifigkeit besitzt, und ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung einer solchen Kurbelwelle an­ zugeben.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 5 an­ gegebenen Merkmale bzw. Schritte gelöst.

Die Kurbelwelle nach der Erfindung ist so gestaltet, daß unge­ teilte Pleuellager verwendet werden können. Dadurch werden die Fertigungs- und Montagekosten reduziert. Es ist zwar aus der DE 30 11 358 C2 bekannt, eine hohle Kurbelwelle herzustellen, bei der ungeteilte Pleuellager verwendet werden können, diese bekannte Kurbelwelle und das bekannte Verfahren zur Herstellung einer derartigen Kurbelwelle sind jedoch extrem teuer, da die Kurbelwelle aus Verbund­ werkstoff hergestellt wird und auf die unverformte, d. h. noch gerade Kurbelwelle vor dem Aushärten ungeteilte Pleu­ ellager aufgeschoben werden und erst anschließend die Kur­ belwelle so verformt wird, daß ihre Kurbelzapfen entste­ hen. Der nachfolgende Aushärteprozeß muß dann zusammen mit den fertig montierten Pleuellagern erfolgen. Nachteilig an dieser bekannten Kurbelwelle ist weiter, daß sie wegen ihres Verbundmaterials und eines eingesetzten elastomeren Kunststoffkerns temperaturempfindlich ist.

Die erfindungsgemäße Kurbelwelle ist hohl ausgebildet, vorzugs­ weise nicht oder nicht nur im Bereich eines Kurbelzapfens, wie dies bei herkömmlichen hohlen Kurbelwellen der Fall ist, sondern auch in einem zum Kurbelzapfen exzentrischen Bereich.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Kurbelwelle wird diese im Schlickergußverfahren ein­ stückig aus Keramik hergestellt, also durch einen Formgebungsprozeß, der keine formgebende Nachbearbeitung erfordert. Beispiele für derartige Formge­ bungsprozesse auf dem Gebiet der Keramikherstellung sind neben dem Schlickergußverfahren isostatisches Pressen, axiales Pressen oder eine sogenannte "Grünbearbeitung", bei der ein Rohling vor dem Aushärtprozeß, also noch in einem re­ lativ weichen Zustand, bearbeitet wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Kurbelwelle auf einfache Weise kostengünstig hergestellt. Eine teuere formgebende Nachbearbeitung entfällt ebenso wie das Mon­ tieren der Kurbelwelle aus mehreren Teilen, das ko­ stenintensive Passungen zwischen ineinander zu fügenden Teilen verlangen würde. Die erfindungsgemäße Kurbelwelle weist eine hohe Steifigkeit auf, da sie einerseits aus Ke­ ramik besteht und zudem einstückig ausgebildet ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kurbelwelle und des erfindungsgemäßen Verfah­ rens bilden die Ge­ genstände der Unteransprüche.

In der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 6 ist vorgesehen, daß die Kurbelwelle nach dem Formgebungsprozeß spitzenlos geschliffen wird, indem Lagerzapfen der Kurbelwelle in kugelförmige Adapter ge­ steckt werden, so daß über die Adapter eine Zentrierung in einer Schleifvorrichtung ermöglicht wird. Die Kurbelwelle wird zum Schleifen axial eingespannt, um die Ausübung von Zugspannungen auf die für Zugbeanspruchung empfindliche Keramik zu verhindern.

In der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 7 wird die Kurbelwelle dynamisch ausgewuchtet, indem sie an ihren Kurbelzapfen aufgenommen und in Drehung versetzt wird. Dies erfolgt vorzugsweise in halb einge­ bautem Zustand, d. h. die Kurbelwelle ist in den Kurbelzap­ fen, aber noch nicht in den Lagerzapfen aufgenommen und wird in Drehung versetzt und ausgewuchtet, wobei sie in den Pleuellagern gelagert ist.

In der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 8 kann ein in der Kurbelwelle ausgebildeter Hohl­ raum zum Auswuchten benutzt werden, indem schmelzflüssiges Metall als Zusatzmasse in ihn eingeleitet und zum Erstar­ ren gebracht wird, während die Kurbelwelle gedreht wird.

Ein Ausführungsbeispiel einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kurbelwelle wird im folgenden an­ hand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittansicht durch die Kurbel­ welle nach der Erfindung mit montierten Pleuellagern,

Fig. 2 die Kurbelwelle nach der Erfindung, einge­ spannt in eine Schleifvorrichtung, und

Fig. 3 das Montieren von ungeteilten Pleuellagern auf der Kurbelwelle nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine einstückig aus Keramik hergestellte Kurbelwelle 10 für einen Sternmotor dargestellt, wobei der Motor bis auf jeweils drei Pleuellager 24, Pleuel und Kol­ ben nicht näher gezeigt ist. Die Kurbelwelle 10 hat an ih­ ren beiden gegenüberliegenden Enden jeweils einen Lager­ zapfen 18, und zwischen den Lagerzapfen 18 ist ein Kurbel­ zapfen 20 angeordnet. Der Kurbelzapfen 20 wiederum umfaßt einen dicken, zu den Lagerzapfen 18 zentrischen Abschnitt 34 und einen sich daran anschließenden dünnen, zu den Lagerzapfen 18 exzentrischen Abschnitt 36 mit einem Lager­ sitz 22, welcher den Bereich der Außenoberfläche des dün­ nen Abschnitts 36 bildet, der mit seinem Außendurchmesser exakt auf den Innendurchmesser der auf ihn aufzubringenden Pleuellager 24 abgestimmt ist. Die Kurbelwelle 10 ist mit einem Hohlraum 14 versehen, der sich durch den linken Lager­ zapfen 18, den zentrischen Abschnitt 34 und den exzen­ trischen Abschnitt 36 hindurch erstreckt und eine Öffnung 16 an einer Stirnseite des linken Lagerzapfens 18 auf­ weist. Der Hohlraum 14 ist so ausgebildet, daß die Wand­ stärke der Kurbelwelle 10 überall in etwa gleich ist und daß er bezüglich des Kurbelzapfens 20 einen exzentrischen Bereich 30 hat. Der exzentrische Bereich 30 setzt sich aus Hohlraumabschnitten zusammen, die in dem linken Lagerzap­ fen 18 und dem dicken Abschnitt 34 ausgebildet sind.

Ein Übergang 26 zwischen dem rechten Lagerzapfen 18 und dem Kurbelzapfen 20 ist so geformt, daß, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, einteilige Pleuellager 24 auf den Lagersitz 22 geschoben werden können. Dies wird dadurch erreicht, daß der Übergang 26 als eine Aufeinanderfolge von geraden und schrägen Abschnitten ausgebildet ist und die Abmessun­ gen der Abschnitte entsprechend auf den Innendurchmesser und die Breite der auf der Kurbelwelle 10 zu lagernden un­ geteilten Pleuellager 24 abgestimmt sind. Die schrägen Ab­ schnitte sind dabei relativ flach geneigt, und ihr Quer­ schnitt ist kleiner als der des Lagersitzes 22. Um die Stabilität und die Steifigkeit der Kurbelwelle 10 am Über­ gang 26 zu gewährleisten, erstreckt sich der Hohlraum 14 vorzugsweise nicht in den Bereich des Übergangs 26. Bei sehr großen Abmessungen der Kurbelwelle 10 ist es jedoch auch denkbar, daß sich der Hohlraum 14 durch die gesamte Kurbelwelle 10 erstreckt. Das Aufschieben von ungeteilten Pleuellagern 24 kann dadurch noch erleichtert werden, daß vor dem Lagersitz 22 ein Absatz 38 vorgesehen ist, an dem der Durchmesser der Kurbelwelle 10 in Richtung von dem rechten Lagerzapfen 18 zu dem linken Lagerzapfen 18 aus gesehen von einem geringeren Durchmesser auf den größeren Durchmesser des Lagersitzes 22 springt.

Um die Kurbelwelle 10 auswuchten zu können, ist in dem ex­ zentrischen Bereich 30 und hier wiederum in einem Teilbe­ reich, welcher von einer zentrischen Achse A des Kurbel­ zapfens 20 am weitesten entfernt ist, in dem Hohlraum 14 der Kurbelwelle 10 ein Auswuchtkörper 28 aus Metall, vorzugsweise aus Titan, angeordnet.

Die Herstellung der in den Figuren dargestellten Kurbel­ welle 10 aus Keramik erfolgt vorzugsweise durch das Schlickergußverfahren, bei dem auch der Hohlraum 14 gebil­ det wird. Die endgültige Form der Kurbelwelle 10 entsteht damit bereits durch den Formgebungsprozeß des Schlicker­ gießens, weshalb eine formgebende Nachbearbeitung der Kur­ belwelle 10 nicht mehr erforderlich ist, was sich wiederum auf die Herstellungskosten positiv auswirkt. Es ist ledig­ lich eine Nachbearbeitung durch Schleifen erforderlich, um die Oberflächenbeschaffenheit und die erforderlichen Pas­ sungen für die Lagerzapfen 18 und den Lagersitz 22 zu ge­ währleisten. Die Kurbelwelle 10 wird dabei spitzenlos ge­ schliffen, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, indem zwei kugel­ förmige Adapter 32 mit Bohrungen, deren Durchmesser auf die Außendurchmesser der Lagerzapfen 18 abgestimmt sind, auf den Lagerzapfen 18 aufgesteckt werden. Die Kurbelwelle 10 wird über die kugelförmigen Adapter 32 in kegelförmige Ausnehmungen 44 von Aufnahmeelementen 42 einer nicht ge­ zeigten Schleifvorrichtung durch axiales Einspannen gehal­ tert und zentriert. Anschließend werden die Lagerzapfen 18 und der Lagersitz 22 auf Maß geschliffen.

Anschließend wird die Kurbelwelle 10 dynamisch ausgewuch­ tet, was entweder auf einer separaten Auswuchtvorrichtung oder in halb eingebautem Zustand erfolgen kann. Für das letztgenannte Auswuchtverfahren werden zuerst die unge­ teilten Pleuellager 24 über den rechten Lagerzapfen 18 und den Übergang 26 auf den Lagersitz 22 geschoben, wie es in den Fig. 3 und 1 gezeigt ist. Nach vollständiger Montage der Pleuellager 24 liegt die in Fig. 1 gezeigte Anordnung vor. Die Lagerzapfen 18 sind dabei noch nicht in ihren entsprechenden Lagerschalen am Motor befestigt. Anschlie­ ßend wird ein nicht gezeigter Riemen als Teil eines Rie­ menantriebes auf den Kurbelzapfen 20 aufgebracht, indem der Riemen um den Kurbelzapfen 20 vorzugsweise im Bereich des Lagersitzes 22 herumgelegt wird. Die Kurbelwelle 10 wird durch den Riemenantrieb in Drehung um die Achse A versetzt, und schmelzflüssiges Metall, vorzugsweise Titan, wird über die Öffnung 16 in den Hohlraum 14 eingegossen. Durch die Drehung der Kurbelwelle 10 lagert sich das schmelzflüssige Metall im bezüglich der Achse A exzentri­ schen Bereich 30 des Hohlraums 14 an und erstarrt, so daß ein Auswuchtkörper 28 entsteht, dessen Masse durch genaues Dosieren der Einfüllmenge des schmelzflüssigen Metalls auf die auszugleichende Unwucht abstimmbar ist. Titan ist des­ halb ein vorteilhaftes Material für die Herstellung des Auswuchtkörpers 28, da dessen Wärmeausdehnungskoeffizient im Vergleich zu den Wärmeausdehnungskoeffizienten anderer Metalle vom Wärmeausdehnungskoeffizienten von Keramik re­ lativ gering abweicht. Ansonsten würden nämlich bei Tempe­ raturveränderungen in der Kurbelwelle 10 große Spannungen durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Metall und Keramik in dem Hohlraum 14 auf die Kurbel­ welle 10 ausgeübt werden. Die Oberfläche des Hohlraums 14 muß im übrigen keineswegs glatt sein, sondern es ist sogar vorteilhaft, wenn sie möglichst rauh ist, Hinterschneidun­ gen oder Vertiefungen hat, damit sich der Auswuchtkörper 28 im Betrieb nicht lockern kann. Wenn Einrichtungen zum Auswuchten mittels Einleitung von schmelzflüssigem Metall nicht vorhanden sind oder wenn die Masse des Auswuchtkör­ pers 28 nicht ausreicht, um die Unwucht der Kurbelwelle 10 auszugleichen, ist es auch möglich, eine Zusatzmasse 40 auf herkömmliche Weise außen auf der Kurbelwelle 10 bei­ spielsweise mittels einer Schelle zu befestigen, wie z. B. an der in Fig. 1 dargestellten Stelle oder im Bereich des Übergangs 26.

Die in den Figuren gezeigte einstückige Kurbelwelle hat nur einen Kurbelzapfen 20. Wenn eine Kurbelwelle herge­ stellt werden soll, die mehrere Kurbelzapfen 20 aufweist, so sind die Übergänge zwischen den einzelnen Kurbelzapfen 20 wie der Übergang 26 auszubilden, damit ungeteilte Pleu­ ellager 24 wenigstens von einer Seite der Kurbelwelle 10 aus nacheinander aufgeschoben werden können.

Die eigentliche Herstellung der Kurbelwelle 10 durch das bevorzugte, an sich bekannte Schlickergußverfahren geht folgendermaßen vor sich (vgl. hierzu Römpp Chemie Lexikon, 9. Auflage, Band 3, S. 2190-2193, 1990, Georg Thieme Verlag, Stuttgart):

Die Hauptrohstoffe für die Herstellung der Kurbelwelle 10 sind Tonmineralien wie Ton und Kaolin. Während Kaolin vor der Verarbeitung durch Schlämmen von groben Anteilen be­ freit werden muß, kann Ton oft so verarbeitet werden, wie er aus der Erde gewonnen wird. Als Zusätze zu den Hauptrohstoffen dienen Magerungsmittel zur Minderung einer Schwindung bei Trocknung und bei Brand (z. B. Quarz, Sand, gemahlener gebrannter Ton). In einer sogenannten Naßaufbe­ reitung werden die Rohstoffe durch Verrühren mit Wasser in wässerige Suspensionen überführt, so daß ein fließfähiger Schlicker entsteht, der durch Gießen weiterverarbeitet werden kann. Der fließfähige Schlicker wird in poröse, aufrecht stehende Formen aus Gips gegossen, wobei die For­ men aus Gips dem Schlicker das Wasser entziehen und der Kurbelwelle 10 Formstabilität verleihen. Durch die hydro­ skopische Kraft des Gipses legt sich der Schlicker gleich­ mäßig an die Formwand an. Die Wanddicke einer hohlen Kur­ belwelle ergibt sich aus der eingefüllten Menge von Schlicker, wobei auch eine massive Kurbelwelle gegossen werden kann. Darüber hinaus können auch Spritzgußmaschinen mit gekühlten Stahlformen verwendet werden. Anschließend wird die feuchte, noch immer plastisch verformbare Kurbel­ welle 10 getrocknet. Die Trocknung muß so gesteuert sein, daß eine dabei erfolgende Volumenabnahme (Schwindung) riß­ frei erfolgt. Die lineare Schwindung bei der Trocknung be­ trägt ca. 3 bis 5%. Die Trocknung kann als sogenannte Freiluft-Trocknung erfolgen oder unter Verwendung von Schaukel-, Kammer- oder Tunnel-Trocknern. Durch geeignete Programme für Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit kann die Trocknung der Kurbelwelle 10 ohne Rißgefahr auch schneller erfolgen. Anschließend wird die Kurbelwelle 10 keramisch gebrannt, wobei beim Brennen in der Regel ein Volumen­ schwund bis zu 20% auftritt. Dieser Volumenschwund kann durch Verwendung vorgebrannter Rohstoffe verringert wer­ den, z. B. durch Verwendung von Schamotten, Magnesit oder Dolomit. Die Kurbelwelle 10 hat nach dem Brennen bereits die endgültige Form, d. h. es ist keine formgebende Nachbe­ arbeitung erforderlich.

Claims (8)

1. Kurbelwelle, insbesondere für Arbeits- und Kraftmaschinen, die vollständig aus Keramik besteht und einstückig ausgebildet ist, wobei

• - wenigstens ein Lagerzapfen (18) und ein Übergang (26) zwi­ schen dem Lagerzapfen (18) und einem Kurbelzapfen (20) als eine Aufeinanderfolge von geraden und schrägen Abschnitten ausgebil­ det und in ihren Abmessungen so auf einen Innendurchmesser und eine Breite wenigstens eines auf der Kurbelwelle (10) zu la­ gernden ungeteilten Pleuellagers (24) abgestimmt sind, daß die­ ses von außen auf den Kurbelzapfen (20) der fertigen Kurbel­ welle (10) schiebbar ist, und
• - in der Kurbelwelle (10) zumindest ein Hohlraum (14) ausgebil­ det ist, der wenigstens einen bezüglich des Kurbelzapfens (20) exzentrischen Bereich (20) hat.

2. Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hohlraum (14) zumindest ein Auswuchtkörper (28) vorgesehen ist.

3. Kurbelwelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswuchtkörper (28) zumindest in dem exzentrischen Bereich (30) des Hohlraums (14) vorgesehen ist.

4. Kurbelwelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswuchtkörper (28) aus Metall besteht und schmelzflüssig in den Hohlraum (14) eingebracht ist.

5. Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle (10) gemäß An­ spruch 1, insbesondere für Arbeits- und Kraftmaschinen, die vollständig aus Keramik besteht, bei der die Kurbelwelle (10) im Schlickergußverfahren einstückig hergestellt wird und für die Verwendung ungeteilter Pleuellager (24) ausgestaltet wird, wobei in der Kurbelwelle (10) während der Durchführung des Schlickergußverfahrens ein Hohlraum (14) hergestellt wird, der wenigstens einen bezüglich eines Kurbelzapfens (20) exzentri­ schen Bereich (30) und eine Öffnung (16) an einer Stirnseite eines benachbarten Lagerzapfens (18) aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (10) nach der Herstellung durch das Schlickerguß­ verfahren spitzenlos geschliffen wird, wofür ihre Lagerzapfen (18) in kugelförmige Adapter (32) gesteckt werden und die Kur­ belwelle (10) anschließend axial eingespannt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (10) dynamisch ausgewuchtet wird, indem sie an ihren Kurbelzapfen (20) aufgenommen und in Drehung versetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auswuchten der Kurbelwelle (10) während der Drehung schmelz­ flüssiges Metall von außen in den Hohlraum (14) geleitet und zum Erstarren gebracht wird.