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Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei
der Entwicklung von Brennkraftmaschinen gibt es bereits seit langem
die beiden Zielvorgaben, einerseits einen geringen Kraftstoffverbrauch und
andererseits eine gute Akustik mit einer geringen Geräuschentwicklung
zu erreichen. Sowohl der Kraftstoffverbrauch als auch die Geräuschentwicklung
der Brennkraftmaschine werden durch die Auslegung der Kurbelwelle
und der Kurbelwellenlager wesentlich mitbestimmt, da eine Vergrößerung
des Lagerspiels in den Gleitlagern infolge der Verringerung der
Lagerreibung aufgrund einer geringeren Scherwirkung im Lagerspalt
zu einer geringeren mechanischen Verlustleistung und damit zu einem
geringeren Kraftstoffverbrauch führt, während
umgekehrt durch eine Verkleinerung des Lagerspiels infolge einer
genaueren Führung der rotierenden Massen der Kurbelwelle
und infolge einer Reduzierung der Impulshaftigkeit in den Gleitlagern
aufgrund einer kleineren Verlagerungsgeschwindigkeit und eines dadurch
bedingten geringeren Impulses beim Aufprall die Geräuschentwicklung
geringer ist. In der Vergangenheit wurde der Zielkonflikt zwischen
den beiden Zielvorgaben ”geringer Kraftstoffverbrauch” und ”gute
Akustik” in der Regel so gelöst, dass in sämtlichen
Gleitlagern dasselbe einheitliche Lagerspiel vorgesehen wurde, wobei
durch ein großes Lagerspiel eine verbrauchsoptimierte Lösung,
durch ein kleines Lagerspiel eine akustikoptimierte Lösung bzw.
durch ein mittleres Lagerspiel ein Kompromiss zwischen verbrauchs-
und akustikoptimierter Lösung möglich war.
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Aus
dem Stand der Technik ist es jedoch auch bereits bekannt, in den
Gleitlagern einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine unterschiedliche
Lagerspiele vorzusehen.
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Zum
Beispiel offenbart die
DE
29 40 644 A1 eine in mehreren Gleitlagern gelagerte mehrfach
gekröpfte Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, bei der
ein Teil der Lager gegenüber den übrigen Lagern ein
vergrößertes Lagerspiel aufweist. Die Lager mit dem
vergrößerten Lagerspiel sind an solchen Lagerstellen
angeordnet, die ohne diese Maßnahme eine gegenüber
den übrigen Lagern deutlich geringere kleinste örtliche
Schmierfilmdicke aufweisen. Es findet sich jedoch kein Hinweis darauf,
um welche Lager es sich dabei handelt.
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Weiter
wurde in der
DE 28
49 790 C2 auch bereits vorgeschlagen, zwischen der Kurbelwelle
und denjenigen Gleitlagern, die große Stoßkräfte
empfangen, ein kleines Lagerspiel und zwischen der Kurbelwelle und
denjenigen Gleitlagern, die kleine Stoßkräfte
empfangen, ein großes Lagerspiel vorzusehen. Da bei einer
4-Zylinder-Brennkraftmaschine in Reihenbauweise mit einer in fünf
Gleitlagern gelagerten Kurbelwelle die größten
Stoßkräfte oder Stoßbelastungen am zweiten
und am vierten Gleitlager auftreten, wurde bei diesem Brennkraftmaschinentyp dementsprechend
am zweiten und vierten Gleitlager jeweils ein kleines Lagerspiel
und am ersten, dritten und fünften Gleitlager jeweils ein
großes Lagerspiel vorgesehen. Neuere Untersuchungen haben
jedoch gezeigt, dass der in der
DE 28 49 790 C2 postulierte Zusammenhang,
nämlich dass Gleitlager, die große Stoßkräfte
empfangen, starke Geräusche erzeugen, während
Gleitlager, die kleine Stoßkräfte empfangen, schwache
Geräusche erzeugen, so nicht zutreffend ist.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine
der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass im Vergleich
zu einer in sämtlichen Gleitlagern mit gleichem Lagerspiel
gelagerten Kurbelwelle bei verbrauchsoptimierten Lösungen
ohne eine wesentliche Änderung des Verbrauchs die Akustik
verbessert bzw. bei akustikoptimierten Lösungen ohne eine maßgebliche
Verschlechterung der Akustik der Kraftstoffverbrauch erheblich verringert
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass das Lagerspiel in dem zum Schwungradflansch benachbarten Gleitlager
kleiner als in den übrigen Gleitlagern ist.
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Durch
eine rechnerische Akustik- und Reibleistungssimulation und durch
anschließende verifizierende Messungen an einem entsprechend ausgelegten
Kurbeltrieb konnte gezeigt werden, dass im Vergleich zu einem verbrauchsoptimierten
Kurbeltrieb mit einer in sämtlichen Gleitlagern mit großem Lagerspiel
gelagerten Kurbelwelle die Geräuschentwicklung bereits
dann maßgeblich verringert werden kann, wenn nur das zum
Schwungradflansch benachbarte Gleitlager mit einem kleinen Lagerspiel ausgestattet
wird, während in den übrigen Gleitlagern das reibungs-
und verbrauchsoptimale große Lagerspiel erhalten bleibt.
Umgekehrt kann im Vergleich zu einem akustikoptimierten Kurbeltrieb
mit einer in sämtlichen Gleitlagern mit kleinem Lagerspiel gelagerten
Kurbelwelle eine erhebliche Verminderung der Lagerreibung und des
Kraftstoffverbrauchs beobachtet werden, während eine nur
um wenige Prozente stärkere Geräuschentwicklung
zu verzeichnen ist, wenn die Gleitlager abgesehen von dem zum Schwungradflansch
benachbarten Gleitlager mit einem großen Lagerspiel ausgestattet
werden.
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Bei
der rechnerischen Simulation wurde festgestellt, dass im Hinblick
auf die Geräuschentwicklung vor allem dasjenige oder diejenigen
Gleitlager von besonderer Bedeutung sind, deren Strukturübertragungsverhalten
besonders auffällig ist, wie dies bei dem zum Schwungradflansch
benachbarten Gleitlager der Fall ist.
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Während
es grundsätzlich möglich wäre, in sämtlichen,
nicht zum Schwungradflansch benachbarten Gleitlagern dasselbe Lagerspiel
vorzusehen, werden gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung in diesen übrigen Gleitlagern unterschiedliche
Lagerspiele vorgesehen, die den Kompromiss zwischen Lagerreibung
und Geräuschentwicklung bestmöglich lösen.
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Beispielsweise
kann in diesem Zusammenhang der Vorschlag aus der
DE 28 49 790 C2 insoweit
berücksichtigt werden, dass man in den stark belasteten
Gleitlagern ein kleineres Lagerspiel als in den weniger stark belasteten
Gleitlagern vorsieht.
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Die
Umsetzung des erfindungsgemäßen Konzepts erfolgt
bevorzugt dadurch, dass man der Kurbelwelle in dem zum Schwungradflansch
benachbarten Gleitlager einen größeren Durchmesser
als in den übrigen Gleitlagern verleiht, während
der Innendurchmesser der Gleitlager bei sämtlichen Gleitlagern
derselbe ist.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine;
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2 eine
schematische Seitenansicht der in Gleitlagern gelagerten Kurbelwelle.
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Die
in der Zeichnung dargestellte Kurbelwelle 1 einer Reihen-Brennkraftmaschine
mit vier Zylindern umfasst fünf zur Lagerung der Kurbelwelle 1 dienende,
in Längsrichtung der Kurbelwelle 1 im Abstand
voneinander angeordnete zylindrische Wellenzapfen 2, 3, 4, 5, 6,
acht paarweise zwischen benachbarten Wellenzapfen 2, 3; 3, 4; 4, 5; 5, 6 angeordnete Wangen 7,
einen an einem Stirnende der Kurbelwelle 1 angeordneten
Schwungradflansch 8 sowie vier Hubzapfen 9, 10, 11, 12,
die jeweils zwischen zwei benachbarten Wellenzapfen 2, 3; 3, 4; 4, 5; 5, 6 angeordnet
sind.
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Wie
am besten in 2 dargestellt, ist an jedem der
Hubzapfen 9, 10, 11, 12 ein
Pleuel 13 befestigt, das die Kurbelwelle 1 mit
einem der Kolben 14 der Brennkraftmaschine verbindet, die
jeweils in einem der vier Zylinder 15 auf und ab beweglich
sind und zusammen mit den Pleueln 13 und der Kurbelwelle 1 einen
Kurbeltrieb bilden.
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Während
die Pleuel 13 auf den Hubzapfen 9, 10, 11, 12 jeweils
in einem Pleuellager 16 gelagert sind, sind die Wellenzapfen 2, 3, 4, 5, 6 in
zugehörigen Wellenlagern 17, 18, 19, 20, 21 eines
Zylinderkurbelgehäuses (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine
gelagert.
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Die
fünf Wellenlager 17, 18, 19, 20, 21 sind ebenso
wie die vier Pleuellager 16 als Gleitlager ausgebildet
und umfassen in an sich bekannter Weise jeweils eine aus zwei Lagerhalbschalen
bestehende Lagerschale (nicht dargestellt), deren zylindrische innere
Umfangsfläche eine zylindrische äußere
Umfangsfläche des Lagerzapfens 2, 3, 4, 5, 6 mit
einem vorbestimmten Lagerspiel umgibt, so dass sich zwischen der
Lagerschale und dem Lagerzapfen 2, 3, 4, 5, 6 ein
Schmierfilm ausbilden kann.
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Um
den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine durch Minimierung
der durch Lagerreibung verursachten mechanischen Verlustleistung
in den Wellenlagern 17, 18, 19, 20, 21 zu
verringern, ohne dass dies zu einer merklichen Beeinträchtigung
der Akustik in Form einer spürbaren Zunahme der Geräuschentwicklung
führt, ist bei dem in der Zeichnung dargestellten Kurbeltrieb
in sämtlichen Wellenlagern 18, 19, 20, 21,
mit Ausnahme des zum Schwungradflansch benachbarten Wellenlagers 17,
ein verhältnismäßig großes verbrauchsoptimiertes
Lagerspiel vorgesehen, während in dem zum Schwungradflansch
benachbarten Wellenlager 17 ein verhältnismäßig
kleines akustikoptimiertes Lagerspiel vorgesehen ist.
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Mit
anderen Worten ist das Lagerspiel zwischen dem Wellenlager 17 und
dem zugehörigen Wellenzapfen 2 erheblich kleiner
als das Lagerspiel zwischen den Wellenlagern 18, 19, 20, 21 und
den zugehörigen Wellenzapfen 3, 4, 5, 6.
Das Lagerspiel in den zuletzt genannten Wellenlagern 18, 19, 20, 21 ist
unterschiedlich groß, um einen bestmöglichen Kompromiss
zwischen Lagerreibung und Geräuschentwicklung zu erzielen,
wobei zum Beispiel das Lagerspiel in den beiden durch Kolbenkräfte
weniger stark belasteten Wellenlagern 19 und 21 größer
als in den beiden durch Kolbenkräfte stärker belasteten Wellenlagern 18 und 20 sein
kann.
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Das
jeweils gewünschte Lagerspiel wird eingestellt, indem man
für sämtliche Wellenlager 17, 18, 19, 20, 21 Lagerschalen
mit demselben Innendurchmesser verwendet und den zugehörigen
Wellenzapfen 2, 3, 4, 5, 6 im
Zuge ihrer spanabhebenden bzw. schleifenden Bearbeitung entsprechend
dem gewünschten Lagerspiel unterschiedliche Außendurchmesser
verleiht.
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- 1
- Kurbelwelle
- 2
- Wellenzapfen
- 3
- Wellenzapfen
- 4
- Wellenzapfen
- 5
- Wellenzapfen
- 6
- Wellenzapfen
- 7
- Wangen
- 8
- Schwungradflansch
- 9
- Hubzapfen
- 10
- Hubzapfen
- 11
- Hubzapfen
- 12
- Hubzapfen
- 13
- Pleuel
- 14
- Kolben
- 15
- Zylinder
- 16
- Pleuellager
- 17
- Wellenlager
- 18
- Wellenlager
- 19
- Wellenlager
- 20
- Wellenlager
- 21
- Wellenlager
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2940644
A1 [0004]
- - DE 2849790 C2 [0005, 0005, 0011]