WO2020078616A1 - Kurbelwelle - Google Patents

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Stefan Kammerstaetter
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    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/22—Internal combustion engines

Definitions

  • the invention relates to a crankshaft for a reciprocating internal combustion engine with the features from the preamble of
  • the technical environment is, for example, the European one
  • Patent application EP 0 399 246 A1 pointed out. From this
  • crankshaft for an internal combustion engine is also known from German Patent DE 29 30 968 C2.
  • the crankshaft is particularly suitable for air-compression injection engines with supercharging provided, the crankshaft having main bearing journals and connecting rod journals.
  • the main journals are less loaded than that
  • a bearing device for internal combustion engines is known from German Offenlegungsschrift DE 103 27 840 A1.
  • the bearing device includes a crankshaft of an internal combustion engine, the crankshaft is supported by bearings and the crankshaft is made of steel which has not been subjected to surface hardening and which has a structure mainly composed of pearlite and a proportion of pre-eutectoid ferrite of at most 3% .
  • the steel is also machined to have a roughness depth R z of at most 0.8 pm, the bearings having an aluminum bearing alloy connected to a base plate and silicon particles as an alloy component thereof having less than 4 percent by weight.
  • a crankshaft is also shown in FIG. 1 as an example, which is used for the BMW inline six-cylinder diesel engine with the internal designation B57.
  • Transition radius executed. Turning in this area produces a surface quality in the range of approx. R z 7miti. Results on the torsion coil test stand show a limitation of the maximum possible torsional fatigue strength due to possible cracks in the critical area of the transition radii, among other things due to the comparatively high surface roughness.
  • the object of the present invention is to increase the maximum transferable torque for a generic crankshaft.
  • Lightweight approach with the same torque to be transmitted Crankshaft can be constructed lighter and therefore with less feed material.
  • the manufacturing methods according to claim 4 are special
  • crankshaft materials are preferred crankshaft materials.
  • Figure 1 shows a plan view of a crankshaft according to the state of the
  • Figure 2 shows a section through an end piece of a crankshaft with the machining according to the invention.
  • Figure 1 shows a plan view of a crankshaft 1 according to the prior art.
  • the crankshaft 1 shown in FIG. 1 is, for example, a series crankshaft for the 6-cylinder BMW
  • the crankshaft 1 has seven main bearings 2 and 6 trunnions 3, the main bearings 2 and the trunnion 3 being connected via lifting trucks 4.
  • the lifting cheeks 4 can be designed with or without counterweights.
  • crankshaft surface between the flange 9 and the main bearing 2 has a central roughness depth R z of about 7 pm in series production.
  • Figure 2 shows a section through a flange-side end of a
  • crankshaft 1 in the region of the flange 9 and the first ring gear 5 and the second ring gear 7.
  • the crankshaft surface 6 between the main bearing 2 and the first ring gear 5 has an average roughness depth R z of less than 3 pm.
  • Crankshaft surface 6 between the first ring gear 5 and the second ring gear 7 has an average roughness depth R z of less than 3 pm. Furthermore, the crankshaft surface 6, which is adjacent to the second ring gear 7, on the first ring gear 5
  • the average roughness depth R z less than 3 pm is preferably produced by grinding or finishing or polishing.
  • the crankshaft 1 is preferably made of a steel material, such as C38 + N or C38MOD or 44MNSIVS6 or 37CRS4MOD or 42CRM04.
  • the crankshaft according to the invention can be forged or cast.
  • crankshaft 1 can be lighter and thus with less

Abstract

Kurbelwelle (1) für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Hauptlagern (2) und einem Hubzapfen (3), wobei zwischen den Hauptlagern und dem Hubzapfen jeweils eine Hubwange (4) angeordnet ist, die die Hauptlager mit dem Hubzapfen verbinden, wobei die Kurbelwelle zumindest einen, zu einem Hauptlager axial beabstandeten ersten Zahnkranz (5) für einen Antrieb eines Kettentriebes aufweist, wobei eine Kurbelwellenoberfläche zwischen dem Hauptlager und dem ersten Zahnkranz eine gemittelte Rautiefe R z von kleiner 3 Mikrometer aufweist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kurbelwelle für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine können höhere Torsionsmomente übertragen oder die Kurbelwelle in dem Bereich mit der höheren Oberflächengüte leichter ausgelegt werden.

Description

Kurbelwelle
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle für eine Hubkolben- Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die Europäische
Patentanmeldung EP 0 399 246 A1 hingewiesen. Aus dieser
Offenlegungsschrift ist ein Verfahren zur Erhöhung der Dauerfestigkeit von Kurbelwellen für Kolbenmaschinen bekannt, insbesondere
Brennkraftmaschinen, bei der die Übergangsradien von einem Kurbelzapfen zu angrenzenden Kurbelwangen einer besonderen Behandlung unterzogen werden. Diese Behandlung besteht in einer Härtung im Bereich der
Übergangsradien in einer Härtetiefe von 2 - 3 mm, einhergehend mit einer Bearbeitung der Oberfläche ausgehend von einer Verschneidungskante zwischen einer Lagerstelle und einem Übergangsradius bis zum Ende des Anlaufbundes auf eine Rautiefe Rz größer 6,3 pm.
Weiter ist auch aus der Deutschen Patentschrift DE 29 30 968 C2 eine Kurbelwelle für eine Brennkraftmaschine bekannt. Die Kurbelwelle ist insbesondere für luftverdichtende Einspritzkraftmaschinen mit Aufladung vorgesehen, wobei die Kurbelwelle Hauptlagerzapfen und Pleuellagerzapfen aufweist. Die Hauptlagerzapfen sind geringer belastet als die
Pleuellagerzapfen, wobei die Hauptlagerzapfen vor Inbetriebnahme der Kurbelwelle eine größere Rautiefe besitzen als die Pleuellagerzapfen.
Weiter ist aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 103 27 840 A1 eine Lagervorrichtung für Verbrennungsmotoren bekannt. Die Lagervorrichtung umfasst eine Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, wobei die Kurbelwelle von Lagern gehalten und die Kurbelwelle aus Stahl hergestellt ist, welcher keinem Oberflächenhärten unterzogen worden ist und welcher eine Struktur besitzt, welche hauptsächlich aus Perlit und einem Anteil an voreutektoidem Ferrit von höchstens 3% zusammengesetzt ist. Weiter ist der Stahl bearbeitet, um eine Rautiefe Rz von höchstens 0,8 pm aufzuweisen, wobei die Lager eine mit einer Grundplatte verbundene Aluminiumlagerlegierung besitzen und als einen Legierungsbestandteil davon Siliziumpartikel zu weniger als 4 Gewichtsprozent aufweisen. Ein früher Abrieb und ein
Zerkratzen der Kurbelwelle werden hierdurch derart unterdrückt, dass es im Vergleich mit einem Abrieb und einem Zerkratzen bei herkömmlichen DCI- Wellen gleichwertig oder vorteilhaft ist.
Weiter ist in Figur 1 beispielhaft eine Kurbelwelle abgebildet, die für den BMW Reihensechszylinder-Dieselmotor mit der internen Bezeichnung B57 im Einsatz ist. Das maximal übertragbare Torsionsmoment (inkl. etwaiger Torsionswechselmomente) stellt für die Kurbelwelle in der
Brennkraftmaschine ein entscheidendes Auslegungskriterium dar. Bisherige Untersuchungen zeigen dabei in dem Bereich zwischen dem zylindrischen Teil der Kurbelwelle und dem Übergang zu den mit der Kurbelwelle mitbearbeiteten Kettenrädern als kritisch. Im aktuellen Stand der Technik wird dieser Bereich mittels einer Drehbearbeitung in Form eines
Übergangsradius ausgeführt. Die Drehbearbeitung in diesem Bereich erzeugt eine Oberflächengüte im Bereich von ca. Rz = 7miti. Ergebnisse am Torsionspulsprüfstand zeigen eine Beschränkung der maximal möglichen Torsionswechselfestigkeit aufgrund möglicher Anrisse im kritischen Bereich der Übergangsradien, unter anderem durch vergleichsweise hohe Oberflächenrauigkeit.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das maximal übertragbare Torsionsmoment für eine gattungsgemäße Kurbelwelle zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Durch die Anwendung unterschiedlicher Fertigungsverfahren ist es möglich, die Oberflächengüte in den kritischen Bereichen auf ein Mittel der Rautiefen Rz von kleiner 3 pm zu erhöhen. Als mögliche Verfahren kann dabei unteranderem Schleifen, Finishen oder auch Polieren (in Form einer reinen Oberflächenglättung) in Betracht gezogen werden. Alle Verfahren verbindet eine deutliche Glättung der Oberfläche im kritischen Bereich.
Untersuchungen an einem Torsionspulsprüfstand haben gezeigt, dass durch die Erhöhung der Oberflächengüte in kritischen Bereichen, insbesondere im Bereich der Übergangsradien zum Kettenrad, von ca. Rz =7pm auf Rz kleiner 3pm, eine nachweisliche Erhöhung der Torsionswechselfestigkeit der gesamten Kurbelwelle im Bereich von 10 bis 30 % erreicht werden kann. Durch Rollieren in Form von Festwalzen (Erhöhen der Druckeigenspannung) ist nochmals eine deutlich höhere Festigkeitssteigerung zu erwarten. Somit besteht zum einen die Möglichkeit höhere Torsionsmomente mit der
Kurbelwelle zu übertragen. Zum anderen kann im Sinne eines
Leichtbauansatzes bei gleichem zu übertragenden Drehmoment die Kurbelwelle leichter und somit mit weniger Einsatzmaterial konstruiert werden.
Mit der Ausgestaltung gemäß den Patenansprüchen 2 und 3 kann die Torsionswechselfestigkeit nochmals verbessert werden.
Die Fertigungsverfahren gemäß Patentanspruch 4 sind besonders
bevorzugte Fertigungsverfahren.
Die Materialien gemäß Patentansprüchen 5 und 6 sind besonders
bevorzugte Kurbelwellenmaterialien.
Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 7 wird einer Rissbildung nochmals deutlich entgegengewirkt.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt eine Aufsicht auf eine Kurbelwelle gemäß dem Stand der
Technik.
Figur 2 zeigt einen Schnitt durch ein Endstück einer Kurbelwelle mit der erfindungsgemäßen Bearbeitung.
Figur 1 zeigt eine Aufsicht auf eine Kurbelwelle 1 gemäß dem Stand der Technik. Bei der in Figur 1 dargestellten Kurbelwelle 1 handelt es sich beispielsweise um eine Serienkurbelwelle für den 6-Zylinder BMW
Reihenmotor mit der internen Bezeichnung B57.
Die Kurbelwelle 1 weist sieben Flauptlager 2 sowie 6 Flubzapfen 3 auf, wobei die Hauptlager 2 und die Hubzapfen 3 über Hubwagen 4 verbunden sind. Die Hubwangen 4 können mit oder ohne Gegengewichte ausgeführt sein. An einem Ende der Kurbelwelle 1 befindet sich ein Flansch 9. Zwischen zu dem Flansch 9 und dem benachbart angeordneten Hauptlager 2 befinden sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei, mit der Kurbelwelle 1 gefertigte Zahnkränze 5, 7 für nicht dargestellte Kettentriebe.
Eine Kurbelwellenoberfläche zwischen dem Flansch 9 und dem Hauptlager 2 weist im Serienstand eine mittige Rautiefe Rz von etwa 7 pm auf. Ergebnisse an einem Torsionspulsprüfstand haben gezeigt, dass eine Beschränkung der maximal möglichen Torsionswechselfestigkeit für diese bekannte Kurbelwelle 1 vorliegt, da im Bereich des ersten Zahnkranzes 5 und des zweiten
Zahnkranzes 7 Anrisse erfolgen können, die zu einer Schädigung der Kurbelwelle 1 führen können.
Figur 2 zeigt einen Schnitt durch ein flanschseitiges Ende einer
erfindungsgemäße Kurbelwelle 1 im Bereich des Flansches 9 und des ersten Zahnkranzes 5 und des zweiten Zahnkranzes 7. Erfindungsgemäß weist die Kurbelwellenoberfläche 6 zwischen dem Hauptlager 2 und dem ersten Zahnkranz 5 eine mittlere Rautiefe Rz von kleiner 3pm auf. Auch die
Kurbelwellenoberfläche 6 zwischen dem ersten Zahnkranz 5 und dem zweiten Zahnkranz 7 weist eine gemittelte Rautiefe Rz von weniger als 3pm auf. Weiter weist auch die Kurbelwellenoberfläche 6, die sich benachbart zu dem zweiten Zahnkranz 7, auf der dem ersten Zahnkranz 5
gegenüberliegenden Seite befindet eine mittlere Rautiefe Rz von kleiner 3 pm auf.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die
Kurbelwellenoberfläche 6 mit der gemittelten Rautiefe Rz von kleiner 3 pm bis an die Zahnkranzflanken 8 heran.
Die gemittelte Rautiefe Rz kleiner 3pm wird bevorzugt durch Schleifen oder Finishen oder Polieren hergestellt. Darüber hinaus ist die Kurbelwelle 1 vorzugsweise aus einem Stahlwerkstoff, wie beispielsweise C38+N oder C38MOD oder 44MNSIVS6 oder 37CRS4MOD oder 42CRM04. Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Kurbelwelle geschmiedet oder gegossen sein.
Untersuchungen an einem Torsionspulsprüfstand haben gezeigt, dass durch die erfindungsgemäße Erhöhung der Oberflächengüte in den o. g. kritischen Bereichen, insbesondere im Bereich der Übergangsradien zum Kettenrad, von ca. Rz =7pm auf Rz kleiner 3pm, eine nachweisliche Erhöhung der Torsionswechselfestigkeit der gesamten Kurbelwelle 1 im Bereich von 10 bis 30 % erreicht werden kann. Durch Rollieren in Form von Festwalzen
(Erhöhen der Druckeigenspannung) ist nochmals eine deutlich höhere Festigkeitssteigerung zu erwarten. Somit besteht zum einen die Möglichkeit höhere Torsionsmomente mit der Kurbelwelle 1 zu übertragen. Zum anderen kann im Sinne eines Leichtbauansatzes bei gleichem zu übertragenden Drehmoment die Kurbelwelle 1 leichter und somit mit weniger
Einsatzmaterial konstruiert werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
1. Kurbelwelle
2. Hauptlager
3. Hubzapfen
4. Hubwange
5. erster Zahnkranz
6. Kurbelwellenoberfläche
7. zweiter Zahnkranz
8. Zahnkranzflanke
9. Flansch

Claims

Kurbelwelle PATENTANSPRÜCHE
1. Kurbelwelle (1 ) für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Hauptlagern (2) und einem Hubzapfen (3), wobei zwischen den Hauptlagern (2) und dem Hubzapfen (3) jeweils eine Hubwange (4) angeordnet ist, die die Hauptlager (2) mit dem Hubzapfen (3) verbinden, wobei die Kurbelwelle (1 ) zumindest einen, zu einem
Hauptlager (2) axial beabstandeten ersten Zahnkranz (5) für einen Antrieb eines Kettentriebes aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Kurbelwellenoberfläche (6) zwischen dem Hauptlager (2) und dem ersten Zahnkranz (5) eine gemittelte Rautiefe Rz von kleiner 3 pm aufweist.
2. Kurbelwelle nach Patentanspruch 1 , wobei axial beabstandet zu dem ersten Zahnkranz ein zweiter Zahnkranz vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwellenoberfläche (6) zwischen dem ersten Zahnkranz (5) und dem zweiten Zahnkranz (7) eine gemittelte Rautiefe Rz von kleiner 3 pm aufweist.
3. Kurbelwelle nach Patentanspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwellenoberfläche (6) benachbart zu dem zweiten Zahnkranz (7), auf der dem ersten
Zahnkranz (5) gegenüber liegenden Seite eine gemittelte Rautiefe Rz von kleiner 3 pm aufweist.
4. Kurbelwelle nach einem der Patentansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die gemittelte Rautiefe Rz durch
Schleifen oder Finishen oder Rollieren hergestellt ist.
5. Kurbelwelle nach einem der Patentansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Stahlwerkstoff hergestellt ist.
6. Kurbelwelle nach Patentanspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlwerkstoff C38+N oder C38mod oder 44MnSiVS6 oder 37CrS4mod oder 42CrMo4 ist.
7. Kurbelwelle nach einem der Patentansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kurbelwellenoberfläche (6) mit der gemittelten Rautiefe Rz von kleiner 3 pm bis an Zahnkranzflanken (8) erstreckt.
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