DE102006012820A1

DE102006012820A1 - Gebaute Kurbelwelle für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006012820A1
Application number: DE200610012820
Authority: DE
Inventors: Dirk Petersen
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2006-03-21
Filing date: 2006-03-21
Publication date: 2007-12-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine gebaute Kurbelwelle für eine Brennkraftmaschine, bestehend aus mehreren Kurbelwangen, in denen Bohrungen zur Aufnahme von Lagerzapfen und Hubzapfen ausgestaltet sind, wobei die Kurbelwangen sowie die zugeordneten Lagerzapfen und Hubzapfen miteinander in Wirkverbindung stehende Ölkanäle zur Schmierung der Lagerstellen aufweisen und durch eine kombinierte Press- und Schweißverbindung miteinander verbunden sind, indem zunächst die Lager- und Hubzapfen in die Bohrungen der Kurbelwangen eingepresst und nachfolgend zumindest auf einem Teilbereich ihrer stirnseitigen Umfangskonturen mit den Kurbelwangen verschweißt werden. Es wird die Aufgabe gelöst, eine solche Kurbelwelle so auszugestalten, dass mit geringfügigen konstruktiven Änderungen eine verbesserte Festigkeit und Biegedauerbelastbarkeit erzielt wird, wobei eine größtmögliche tragende Breite für das zugeordnete Gleit- bzw. Wälzlager realisiert werden soll. Dies wird erreicht, indem im Übergangsbereich zwischen der Kurbelwange (1) und den aus den Bohrungen (2; 3) dieser Kurbelwange (1) herausführenden Wellenabschnitten der Lagerzapfen (4) und Hubzapfen (5) Materialausnehmungen ausgestaltet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine gebaute Kurbelwelle für eine Brennkraftmaschine, bestehend aus mehreren Kurbelwangen, in denen Bohrungen zur Aufnahme von Lagerzapfen und Hubzapfen ausgestaltet sind, wobei die Kurbelwangen sowie die zugeordneten Lagerzapfen und Hubzapfen miteinander in Wirkverbindung stehende Ölkanäle zur Schmierung der Lagerstellen aufweisen und durch eine kombinierte Press- und Schweißverbindung miteinander verbunden sind, indem zunächst die Lager- und Hubzapfen in die Bohrungen der Kurbelwangen eingepresst und nachfolgend zumindest auf einem Teilbereich ihrer stirnseitigen Umfangskonturen mit den Kurbelwangen verschweißt werden.
Für Brennkraftmaschinen sind verschiedenartige Ausführungen von geschmiedeten und gegossenen Kurbelwellen bekannt. Diese einteiligen Kurbelwellen weisen zwar eine hohe Festigkeit auf, für ihre Herstellung sind jedoch kostenaufwendige Werkzeuge notwendig. Alternativ zur Fertigung als komplettes Bauteil können einzelne Abschnitte einer Kurbelwelle zunächst als separate Baugruppen gefertigt und nachfolgend zur eigentlichen Kurbelwelle zusammen „gebaut" werden. Neben Kostenvorteilen und einem geringeren Aufkommen an Schmutz und Spänen bei der Herstellung ergeben gebaute Kurbelwellen auch funktionelle Vorteile. So können bei einer solchen Kurbelwelle ungeteilte Pleuelstangen mit einem geschlossenen Pleuelauge verwendet, einteilige Pleuellager (z.B. Wälzlager) auf der Kurbelwelle abgestützt oder auch ungeteilte Gleitlagerschalen montiert werden.
Aus DE 100 61 042 A1 ist eine gebaute Kurbelwelle bekannt, welche aus einer Mehrzahl von Kurbelwangen, an diesen angeordneten Lagerzapfen und Hubzapfen sowie auf den Hubzapfen drehbar mit einem Pleuellager befestigten Pleuelstangen besteht. Die Kurbelwangen sind miteinander verbunden, indem durch Kombination einer Schwalbenschwanzverbindung mit einem Bogenkeil ein kraftschlüssiger Pressverband erreicht wird.
In EP 0 596 346 B1 wird eine gebaute Kurbelwelle mit Lagerzapfen und Hubzapfen beschrieben, wobei die Hubzapfen in Sacklochbohrungen der Kurbelwangen unter Druckvorspannung eingesetzt und zusätzlich verschweißt sind. Weiterhin sind in den Hubzapfen und Kurbelwangen Ölkanäle zur Schmierung der Lagerstellen ausgestaltet.
Gegenstand von DE 102 58 759 A1 ist eine Kurbelwelle, die in ihren Kurbelwangen durchgehende Öffnungen zur Aufnahme von Lagerzapfen und Hubzapfen aufweist. Die Verbindung zwischen den Kurbelwangen und den zugeordneten Lager- bzw. Hubzapfen wird durch Verpressen und/oder Verschweißen erreicht.
Gemäß DRP 422 828 wird für die Verbindung zwischen den Kurbelwangen und den an diesen abgestützten Lager- oder Hubzapfen ebenfalls eine kombinierte Press- und Schweißverbindung vorgeschlagen. Hierbei weisen die äußeren Endabschnitte der Kurbelwangenöffnungen nutenförmige Vertiefungen auf, die entweder über den gesamten Kreisumfang oder nur über Segmente desselben ausgestaltet sind. Bei der Montage werden die Lager- und Hubzapfen zunächst in die Öffnungen der Kurbelwangen eingepresst und nachfolgend lediglich im Bereich der nutenförmigen Vertiefungen mit den Kurbelwangen verschweißt.
Trotz der Vielzahl bereits bekannter Konstruktionen für gebaute Kurbelwellen besteht weiterhin Entwicklungsbedarf, um die Festigkeit und Biegedauerbelastbarkeit dieser hoch beanspruchten Bauteile weiter zu verbessern.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine aus mehreren Kurbelwangen, Lagerzapfen und Hubzapfen bestehende gebaute Kurbelwelle so auszugestalten, dass mit geringfügigen konstruktiven Änderungen eine verbesserte Festigkeit und Biegedauerbelastbarkeit erzielt wird, wobei eine größtmögliche tragende Breite für das zugeordnete Gleit- bzw. Wälzlager realisiert werden soll.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem im Übergangsbereich zwischen der Kurbelwange und den aus den Bohrungen dieser Kurbelwange heraus führenden Wellenabschnitten der Lagerzapfen und Hubzapfen Materialausnehmungen ausgestaltet sind.
Derartige Materialausnehmungen können auf der Mantelfläche der Wellenabschnitte von Lagerzapfen und Hubzapfen als eine umlaufende Hohlkehle ausgestaltet werden, die beispielsweise mittels Rollieren als Einstich erzeugt wird. Solche rollierten (also festgewalzten) Hohlkehlen bewirken hohe Belastbarkeitswerte mit geringen Streuungen. In einer bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass auf den Lagerzapfen und Hubzapfen jeweils zwei umlaufende Hohlkehlen ausgestaltet sind, die auf einem im Montagezustand von der Kontur der Kurbelwange zumindest teilweise überdeckten Bereich der Lagerzapfen und Hubzapfen angeordnet sind. Durch diese Verschiebung des Einstichs in die Kurbelwange wird der freie Bauraum kaum beeinträchtigt. Die Lagerschale kann somit fast über die gesamte Zapfenbreite als tragendes Bauteil genutzt werden.
Alternativ ist es möglich, dass die Materialausnehmungen als eine umlaufende Abschrägung an der Kurbelwange im Bereich der Umfangskontur der Bohrungen zur Aufnahme von Lagerzapfen und Hubzapfen ausgestaltet werden. Eine derartige Abschrägung kann beispielsweise an einer als Rohteil vorliegenden Kurbelwange mittels Fräsen oder bereits beim Gieß- oder Schmiedevorgang der Kurbelwange erzeugt werden.
Durch die erfindungsgemäße technische Lösung kann mit lediglich geringfügigen konstruktiven Änderungen an bekannten Kurbelwangen, Lagerzapfen und Hubzapfen eine gebaute Kurbelwelle mit einer wesentlich besseren Festigkeit und Biegedauerbelastbarkeit geschaffen werden. Die konstruktive Ausführung mit lokal begrenzten Schweißverbindungen, leichten Fügeverbindungen und einer Anordnung der Materialausnehmungen innerhalb der Kontur der Kurbelwangen ermöglicht es, die volle Stärke und folglich die volle Steifigkeit der Wange auszunutzen. Demzufolge entstehen bei der Fertigung keine unerwünschten Hohlkehlen, durch die entweder die Gleitlagerschalen in ihrer Breite begrenzt werden oder die Breite der Kurbelwange reduziert wird. Somit ist auch bei relativ kleinen Lagerdurchmessern – die günstig für eine geringe Motorreibung und einen niedrigen Kraftstoffverbrauch sind – eine ausreichende Steifigkeit der Kurbelwelle gewährleistet.
Neben einer hohen Festigkeit und Steifigkeit sowie der geringen Lagerreibung wird als weiterer Vorteil in jedem Betriebszustand der Brennkraftmaschine eine funktionssichere Druckölversorgung des Pleuellagers gewährleistet, weil trotz der erfindungsgemäßen Modifikationen an den Bauteilen die Ölkanäle in einer an sich bewährten konventionellen Anordnung integriert werden können. Dabei ergeben sich weitere Vorteile, sofern im Übergangsbereich der Ölkanäle zum Lagerzapfen bzw. Hubzapfen gerundete und/oder angefaste Schnittlinien ausgestaltet werden. Derartige Konturen bewirken im Eintritts- bzw. Austrittsbereich der Ölkanäle eine Festigkeitssteigerung und verbessern somit das Eigenschaftsbild der gebauten Kurbelwelle insgesamt.
Weiterhin wird eine kostengünstige Herstellung möglich. Während für vergleichbare Kurbelwellen in gegossener oder geschmiedeter Ausführung ausgehend vom Rohteil je nach konkreter Konstruktion zwischen 20 und 30 Arbeitsfolgen notwendig sind, erfordert die vorgeschlagene Kurbelwelle lediglich etwa 10 Arbeitsfolgen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
1 den grundsätzlichen Aufbau einer ersten Ausführung einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle
2 eine Schnittdarstellung entlang der Linie A–A gemäß 1
3 eine Schnittdarstellung entlang der Linie B–B gemäß 1
4 den grundsätzlichen Aufbau einer zweiten Ausführung der erfindungsgemäßen Kurbelwelle
In der Zeichnung ist eine gebaute Kurbelwelle für eine Brennkraftmaschine dargestellt. Diese Kurbelwelle besteht gemäß 1 aus mehreren Kurbelwangen 1. Jede Kurbelwange 1 weist mindestens zwei Bohrungen 2 und 3 auf. Hierbei ist die Bohrung 2 zur Aufnahme eines Lagerzapfens 4 ausgestaltet, während die Bohrung 3 zur Aufnahme eines Hubzapfens 5 ausgestaltet ist. Die Kurbelwangen 1 sowie die zugeordneten Lagerzapfen 4 und Hubzapfen 5 weisen miteinander in Wirkverbindung stehende Ölkanäle 6 zur Schmierung der Lagerstellen auf.
Die Kurbelwangen 1 werden mit den Lagerzapfen 4 und den Hubzapfen 5 durch eine kombinierte Press- und Schweißverbindung verbunden. Hierfür werden zunächst die Hubzapfen 5 in die Bohrungen 3 der Kurbelwangen 1 eingepresst. Danach werden die Kurbelwangen 1 mit ihren Bohrungen 2 auf die Lagerzapfen 4 gepresst. Die Presspassungen werden so ausgelegt, dass kein Öl austreten kann. Nachfolgend werden die Lagerzapfen 4 und Hubzapfen 5 zumindest auf einem Teilbereich ihrer stirnseitigen Umfangskonturen mit den Kurbelwangen 1 verschweißt. Aus 2 und 3 sind beispielhaft Konturverläufe entsprechender Schweißnähte 7 ersichtlich. Der Querschnitt solcher Schweißnähte 7 ist beispielhaft aus 1 und 4 ersichtlich.
Der bisher beschriebene Aufbau einer gebauten Kurbelwelle ist an sich bekannt, so dass an dieser Stelle auf weitere diesbezügliche Darlegungen verzichtet werden kann. Wesentlich im vorliegenden Sachverhalt ist jedoch, dass im Übergangsbereich zwischen der Kurbelwange 1 und den aus den Bohrungen 2 bzw. 3 dieser Kurbelwange 1 heraus führenden Wellenabschnitten der Lagerzapfen 4 und Hubzapfen 5 Materialausnehmungen ausgestaltet sind.
In einer ersten Ausführung gemäß 1 befinden sich diese Materialausnehmungen auf den Lagerzapfen 4 und Hubzapfen 5. Hierbei werden auf der Mantelfläche der Wellenabschnitte der Lagerzapfen 4 und Hubzapfen 5 umlaufende Hohlkehlen 8 ausgestaltet, die vorzugsweise mittels Rollieren als Einstich erzeugt werden. Vorzugsweise werden – wie auch in 1 dargestellt – auf den Lagerzapfen 4 und Hubzapfen 5 jeweils zwei umlaufende Hohlkehlen 8 ausgestaltet, die auf einem im Montagezustand von der Kontur der Kurbelwange 1 zumindest teilweise überdeckten Bereich angeordnet sind.
In einer zweiten Ausführung gemäß 4 befinden sich die Materialausnehmungen an der Kurbelwange 1. Hierbei wird im Bereich der Umfangskontur der Bohrungen 2 und 3 zur Aufnahme von Lagerzapfen 4 und Hubzapfen 5 zumindest eine umlaufende Abschrägung 9 ausgestaltet, die beispielsweise mittels Fräsen oder beim Gieß- oder Schmiedevorgang der Kurbelwange 1 erzeugt wird. Die Abschrägung 9 muss nicht zwingend mit geraden Schrägen ausgestaltet werden. Ebenso kann die Abschrägung 9 abgerundet ausgeführt werden, wobei diese Ausführung für den Montageprozess zwischen der Kurbelwange 1 sowie Lagerzapfen 4 und Hubzapfen 5 vorteilhaft ist.
In weiterer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass im Übergangsbereich der Ölkanäle 6 zum Lagerzapfen 4 und/oder zum Hubzapfen 5 eine gerundete und/oder angefaste Schnittlinie ausgestaltet ist. Eine derartige – in der Zeichnung nicht dargestellte – Kontur bewirkt im Eintritts- bzw. Austrittsbereich der Ölkanäle 6 eine Steigerung der Festigkeit und verbessert somit das Eigenschaftsbild der gebauten Kurbelwelle insgesamt.

1: Kurbelwange
2: Bohrung
3: Bohrung
4: Lagerzapfen
5: Hubzapfen
6: Ölkanal
7: Schweißnaht
8: Hohlkehle/rollierter Einstich
9: Abschrägung

Claims

Gebaute Kurbelwelle für eine Brennkraftmaschine, bestehend aus mehreren Kurbelwangen, in denen Bohrungen zur Aufnahme von Lagerzapfen und Hubzapfen ausgestaltet sind, wobei die Kurbelwangen sowie die zugeordneten Lagerzapfen und Hubzapfen miteinander in Wirkverbindung stehende Ölkanäle zur Schmierung der Lagerstellen aufweisen und durch eine kombinierte Press- und Schweißverbindung miteinander verbunden sind, indem zunächst die Lager- und Hubzapfen in die Bohrungen der Kurbelwangen eingepresst und nachfolgend zumindest auf einem Teilbereich ihrer stirnseitigen Umfangskonturen mit den Kurbelwangen verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich zwischen der Kurbelwange (1) und den aus den Bohrungen (2; 3) dieser Kurbelwange (1) heraus führenden Wellenabschnitten der Lagerzapfen (4) und Hubzapfen (5) Materialausnehmungen ausgestaltet sind.
Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Mantelfläche der Wellenabschnitte von Lagerzapfen (4) und Hubzapfen (5) mindestens eine umlaufende Hohlkehle (8) ausgestaltet ist.
Kurbelwelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Lagerzapfen (4) und Hubzapfen (5) jeweils zwei umlaufende Hohlkehlen (8) ausgestaltet sind, die auf einem im Montagezustand von der Kontur der Kurbelwange zumindest teilweise (1) überdeckten Bereich der Lagerzapfen (4) und Hubzapfen (5) angeordnet sind.
Kurbelwelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine umlaufende Hohlkehle (8) mittels Rollieren als Einstich ausgestaltet wird.
Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kurbelwange (1) im Bereich der Umfangskontur der Bohrungen (2; 3) zur Aufnahme von Lagerzapfen (4) und Hubzapfen (5) zumindest eine umlaufende Abschrägung (9) ausgestaltet ist.
Kurbelwelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Abschrägung (9) mittels Fräsen ausgestaltet wird.
Kurbelwelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Abschrägung (9) beim Gieß- oder Schmiedevorgang der Kurbelwange (1) ausgestaltet wird.
Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich der Ölkanäle (6) zum Lagerzapfen (4) und/oder zum Hubzapfen (5) eine gerundete und/oder angefaste Schnittlinie ausgestaltet ist.