DE102016201469A1

DE102016201469A1 - Kurbelwelle für einen Kolbenmotor und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102016201469A1
Application number: DE102016201469.2A
Authority: DE
Inventors: Markus Reith
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-02-01
Filing date: 2016-02-01
Publication date: 2017-08-03
Also published as: US20170218839A1; US10145300B2; US10330007B2; US20190032555A1; CN107023387A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle für einen Kolben-Verbrennungsmotor. Gemäß der Erfindung enthält die Kurbelwelle eine Kurbelwellenkröpfung, deren Kurbelwangen (3, 5) im Bereich des Hubzapfens (4) in Bezug auf eine die Drehachse (2) der Kurbelwelle und die Mittelachse des Hubzapfens (4) schneidende Ebene asymmetrisch gestaltet sind, und zwar derart, dass die Bruchfestigkeit der Kurbelwellenkröpfung in einem vom oberen Totpunkt verschiedenen Drehwinkel der Kurbelwelle, in dem die höchste verbrennungsbedingte Kraft auf den Hubzapfen (4) wirkt, erhöht ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle für einen Kolben-Verbrennungsmotor bzw. Kolbenmotor sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Kurbelwelle gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Die Kurbelwangen von Kurbeltrieben besitzen eine die Drehachse der Kurbelwelle schneidende Längsmittelachse, bezüglich der sie gewöhnlich völlig symmetrisch gestaltet sind, da der Massenausgleich der Gegenwellen die rotierenden und translatierenden Teile der Verbindungsstangen, Lager und Zapfen kompensieren muss und dieser Ausgleich nur dann leicht berechnet werden kann, wenn man den Schwerpunkt der beteiligten Massen leicht angeben kann. Eine symmetrische Gestaltung von Kurbelwangen steht auch damit in Einklang, dass die im Betrieb auftretenden Zentrifugalkräfte perfekt symmetrisch auf einen einzelnen Kurbelwellenabschnitt aus zwei Wangen, zwei Gegengewichten, zwei Hauptlagern und einem Hubzapfen wirken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Kurbelwelle bereitzustellen, die bei einem gegebenen Eigengewicht ebenso sehr oder stärker beanspruchbar ist wie eine konventionelle Kurbelwelle mit größerem bzw. gleichem Eigengewicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Kurbelwelle und durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung sind die Kurbelwangen einer und insbesondere einer jeden Kurbelwellenkröpfung einer Kurbelwelle, d. h., einer Folge Wange – Hubzapfen – Wange in der Kurbelwelle, im Bereich des Hubzapfens in Bezug auf eine die Drehachse der Kurbelwelle und die Mittelachse des Hubzapfens schneidende Ebene asymmetrisch gestaltet, nämlich derart, dass die Bruchfestigkeit der Kurbelwellenkröpfung in einem vom oberen Totpunkt verschiedenen Drehwinkel der Kurbelwelle, in dem die höchste verbrennungsbedingte Kraft auf den Hubzapfen wirkt, erhöht ist.
Die Erfindung basiert auf dem Umstand, dass der Verbrennungsgasdruck nicht symmetrisch auf die Kurbelwangen wirkt, weil er üblicherweise erst nach dem oberen Totpunkt die größte Kraft auf Kolben, Pleuel und Hubzapfen ausübt. Das in den Zylinder eingespritzte Gemisch verbrennt nämlich mit einer gewissen Verzögerung, und der höchste Gasdruck tritt nahe am sog. MB50-Punkt auf, d. h. dem Kurbelwellendrehwinkel, an dem 50% der Kraftstoffmenge im Zylinder verbrannt sind. Dieser Drehwinkel kann in einem Bereich von ungefähr 10° bis 15° oder sogar bis zu 30° nach dem oberen Totpunkt des Kolbens liegen.
Daher besitzt eine symmetrische Kurbelwange Stellen, die am MB50-Punkt weniger belastet sind als entsprechende Stellen auf der gegenüberliegenden Seite ihrer Längsmittelachse, die wiederum stärker belastet sind. Daher können die am stärken belasteten Stellen mit zusätzlichem Material verstärkt werden, ohne dies auch auf der gegenüberliegenden Seite tun zu müssen, wo an weniger belasteten Stellen zudem Material eingespart werden kann.
Das heißt, bei der erfindungsgemäßen Kurbelwelle ist bei dem Drehwinkel des Kraftmaximums, für den die Kurbelwellenkröpfung festigkeitssteigernd asymmetrisch gestaltet ist, die Bruchfestigkeit der Kurbelwellenkröpfung höher als jene einer entsprechenden Kurbelwellenkröpfung mit Kurbelwangen, die mit der gleichen Materialmenge symmetrisch gestaltet sind. Somit kann man die Kurbelwelle entweder ohne Haltbarkeitseinbußen leichter machen oder mit gleichem Gewicht haltbarer machen.
Die Erfindung lehrt somit, Kurbelwangen nicht so zu konstruieren, dass sie neben den auftretenden Zentrifugalkräften auch den höchsten Druckkräften Stand halten, die man bislang der Einfachheit halber als im oberen Totpunkt wirkend angenommen hat, sondern unter Berücksichtigung des Umstandes, dass die Kurbelwangen die höchsten Druckkräfte erst mehr oder weniger weit hinter dem oberen Totpunkt erfahren.
Die Asymmetrie der Kurbelwangen und die damit einhergehende asymmetrische Verteilung des Kurbelwangenmaterials bestehen insbesondere in geometrischen Abweichungen von einer Spiegelsymmetrie in Bezug auf die Ebene, die durch die Drehachse der Kurbelwelle und die Drehachse des Hubzapfens hindurchgeht.
Eine erfindungsgemäße Kurbelwelle kann wie folgt hergestellt werden.
Zunächst wird eine Kurbelwelle mit symmetrisch gestalteten Kurbelwangen konstruiert, die so steif ist, dass sie allen während ihrer Lebensdauer auftretenden Belastungen Stand hält.
Anhand der so erhaltenen Konstruktionsdaten kann man eine reale Kurbelwelle herstellen, in einen Verbrennungsmotor einbauen und den Drehwinkel der Kurbelwelle, in dem die höchste verbrennungsbedingte Kraft auf den Hubzapfen wirkt, mittels Dynamometer-Tests ermitteln. Auch die Verteilung der in dem Kraftmaximum auftretenden Belastungen in den Kurbelwangen kann experimentell ermittelt werden, z. B. mit Hilfe von Dehnungs- und Stauchungssensoren.
Alternativ kann man den Drehwinkel der rechnerisch konstruierten Kurbelwelle, in dem die höchste verbrennungsbedingte Kraft auf den Hubzapfen wirkt, rein rechnerisch unter Verwendung von Erfahrungswerten ermitteln, und anhand der Konstruktionsdaten der Kurbelwelle mit symmetrisch gestalteten Kurbelwangen kann man dann die räumliche Verteilung der in dem Kraftmaximum auftretenden Belastungen in den Kurbelwangen berechnen.
Nachdem man die Verteilung der in dem Kraftmaximum auftretenden Belastungen in den Kurbelwangen experimentell und/oder rechnerisch ermittelt hat, wird die Kurbelwelle neu konstruiert, wobei im Kraftmaximum stärker belastete Stellen der Kurbelwangen durch Hinzufügung von Kurbelwangenmaterial verstärkt werden, und anhand der so erhaltenen Konstruktionsdaten können dann reale Kurbelwellen hergestellt werden.
Die Schritte, Belastungsverteilungen zu ermitteln und lokal Kurbelwangenmaterial hinzufügen, können wiederholt durchgeführt werden, um eine Feinabstimmung durchzuführen und der Kurbelwelle nach und nach ihre endgültige Gestalt zu geben.
Es kann dabei nicht nur Kurbelwangenmaterial hinzugefügt werden, sondern es können auch im Kraftmaximum weniger belastete Stellen der Kurbelwangen durch Wegnahme von Kurbelwangenmaterial geschwächt werden, wobei die zur Verstärkung verwendete Materialmenge im Wesentlichen gleich der von weniger belasteten Stellen weggenommenen Materialmenge oder kleiner sein kann.
Übrigens erzeugt eine asymmetrische Hinzufügung oder Umverteilung von Kurbelwangenmaterial zunächst einmal eine Unwucht, doch wird diese durch entsprechende Neugestaltung der Gegengewichte ausgeglichen.
Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Deren einzige Figur ist eine Perspektivansicht eines Abschnitts einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors.
Der gezeigte Kurbelwellenabschnitt umfasst einen Wellenzapfen 1, der sich entlang der strichpunktiert eingezeichneten Kurbelwellen-Drehachse 2 erstreckt, sowie eine Kurbelwellenkröpfung, die aus einer ersten Wange 3, einem Hubzapfen 4 und einer zweiten Wange 5 besteht.
Am Umfang von Wellenzapfen 1, Wange 3 und Hubzapfen 4 ist eine teils unterbrochene Linie 6 eingezeichnet, welche eine Längsmittellinie der Kurbelwellenkröpfung bildet und die sich einer Ebene erstreckt, welche sowohl die Kurbelwellen-Drehachse 2 als auch die Mittelachse des Hubzapfens 4 schneidet.
In der Figur ist die Kurbelwellenkröpfung in einem ca. 10° bis 15° hinter dem oberen Totpunkt des zugehörigen Kolbens liegenden Drehwinkel gezeigt, in dem in einem Verbrennungstakt auf den Hubzapfen 4 eine maximale verbrennungsbedingte Kraft K einwirkt, die in einem schiefen Winkel zu der Ebene liegt, welche die Kurbelwellen-Drehachse 2 und die Mittelachse des Hubzapfens 4 schneidet.
Da die Kraft K asymmetrisch auf die Kurbelwellenkröpfung wirkt, werden in der Figur rechts von der Linie 6 liegende Hälften der Wangen 3, 5 im Bereich des Hubzapfens 4 partiell stärker auf Druck belastet als die links von der Linie 6 liegenden Hälften der Wangen 3, 5.
Die beiden unterschiedlich belasteten Hälften der Wange 3 sind in der Figur als zwei schraffierte Wangenbereiche 3a und 3b angezeigt. Stärker auf Druck belastete Partien des Wangenbereichs 3b werden kräftiger ausgeführt als weniger auf Druck belastete Partien des Wangenbereichs 3a. Die Letzteren können somit entsprechend schwächer ausgeführt werden, so dass partielle Materialumverteilungen vom Wangenbereich 3a zum Wangenbereich 3b stattfinden.
Bei alledem ist natürlich auch zu beachten, dass der Wangenbereich 3a in dem gezeigten Drehwinkel der Kurbelwelle auch etwas auf Zug belastet wird, und um der auftretenden Zugbelastung zu genügen, kann auch innerhalb des Wangenbereich 3a eine gewisse Materialumverteilung vorgenommen werden.
Die durch diese Materialumverteilungen in den Wangenbereichen 3a und 3b entstehenden Unwuchten werden durch geeignete Materialumverteilungen in den radial gegenüberliegenden Gegengewichten ausgeglichen.

Claims

Kurbelwelle für einen Kolben-Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle eine Kurbelwellenkröpfung aufweist, deren Kurbelwangen (3, 5) im Bereich des Hubzapfens (4) in Bezug auf eine die Drehachse (2) der Kurbelwelle und die Mittelachse des Hubzapfens (4) schneidende Ebene asymmetrisch gestaltet sind, und zwar derart, dass die Bruchfestigkeit der Kurbelwellenkröpfung in einem vom oberen Totpunkt verschiedenen Drehwinkel der Kurbelwelle, in dem die höchste verbrennungsbedingte Kraft auf den Hubzapfen (4) wirkt, erhöht ist.
Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bruchfestigkeit der Kurbelwellenkröpfung im Kraftmaximum höher ist als jene einer entsprechenden Kurbelwellenkröpfung mit Kurbelwangen, die mit der gleichen Materialmenge symmetrisch gestaltet sind.
Kurbelwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie der Kurbelwangen (3, 5) in geometrischen Abweichungen von einer Spiegelsymmetrie in Bezug auf die Ebene besteht, die durch die Drehachse (2) der Kurbelwelle und die Drehachse des Hubzapfens (4) hindurchgeht.
Kurbelwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkel, für den die Kurbelwellenkröpfung festigkeitssteigernd asymmetrisch gestaltet ist, einem Drehwinkel entspricht, an dem 50% der Kraftstoffmenge im Zylinder verbrannt sind und der höchste Verbrennungsgasdruck auf den Kolben wirkt.
Kurbelwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkel, für welche die Kurbelwellenkröpfung festigkeitssteigernd asymmetrisch gestaltet ist, in einem Bereich von ungefähr 10° bis 30° und insbesondere ungefähr 10° bis 15° nach dem oberen Totpunkt liegt.
Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) zunächst eine Kurbelwelle mit symmetrisch gestalteten Kurbelwangen konstruiert wird; b) die Verteilung der in dem Kraftmaximum auftretenden Belastungen in den Kurbelwangen ermittelt wird; c) die Kurbelwelle neu konstruiert wird, wobei im Kraftmaximum stärker belastete Stellen der Kurbelwangen durch Hinzufügung von Kurbelwangenmaterial verstärkt werden; und d) die Kurbelwelle auf Basis von Konstruktionsdaten der neu konstruierten Kurbelwelle hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte b) und c) in einer Schleife wiederholt durchgeführt werden, wobei die Belastungsverteilung bei der neu konstruierten Kurbelwelle neu berechnet wird, um schrittweise zu optimierten Kurbelwangen zu gelangen.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Kraftmaximum weniger belastete Stellen der Kurbelwangen durch Wegnahme von Kurbelwangenmaterial geschwächt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Verstärkung verwendete Materialmenge im Wesentlichen gleich der von weniger belasteten Stellen weggenommenen Materialmenge ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Verstärkung verwendete Materialmenge kleiner als die von weniger belasteten Stellen weggenommene Materialmenge ist.