DE10207077A1

DE10207077A1 - Kurbelwellen für eine V-Motoren-Baureihe

Info

Publication number: DE10207077A1
Application number: DE2002107077
Authority: DE
Inventors: Christian Puchas
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-02-20
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2003-02-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine einbaufreundlichere V75 DEG -Motorenbaureihe mit sechs und acht Zylindern. DOLLAR A Mit einem einheitlichen Hubzapfenversatz von 30 DEG in den Kurbelkröpfungen der Kurbelwellen besitzt der V8-75 DEG -Motor die Ausgleichsgüte eines V8-90 DEG , der V6-75 DEG -Motor erzeugt kein freies Moment 1. Ordnung und sein freies Moment 2. Ordnung ist geringer als bei einem V6-90 DEG ohne oder mit Hubzapfenversatz.

Description

Die Erfindung betrifft die Kurbelwellen für eine V-Motoren-Baureihe mit sechs und acht Zylindern und mit einem V-Winkel zwischen 60° und 90°, insbesondere für V6- und V8-Motoren von Kraftfahrzeugen.
Bei V8-Motoren ist ein V-Winkel von 90° üblich. Bezüglich der Fertigungskosten ist es vorteilhaft, einen V8-Motor mit einem V6-90°-Motor in gemeinsamen Bearbeitungslinien zu fertigen, wozu für einen Fertigungsverbund ein Höchstmaß an Gleichteilen angestrebt wird.
Die Herstellkosten-Vorteile für beide Motoren werden jedoch mit Nachteilen erkauft, die zu Lasten des V8-Motors gehen:
V6-90°-Motoren werden heute für einen gleichmäßigen Zündabstand von 120° mit einem Hubzapfenversatz von 30° in den Kurbelkröpfungen der Kurbelwelle gebaut, da ohne Hubzapfenversatz die Zündabstände 90° und 150° betragen und 25% vom gleichmäßigen Zündabstand abweichen.
Durch den Hubzapfenversatz wird jedoch die Kurbelwelle in der Kröpfungsmitte stark geschwächt, sodaß aus Steifigkeitsgründen der Kurbelwelle die Hubzapfen im Durchmesser vergrößert werden müssen.
Für eine gemeinsame Bearbeitung der V6/VB-Kurbelwellen und der gemeinsamen Pleuelstangen wird der vergrößerte Hubzapfendurchmesser auf den VB-Motor übertragen, der damit im Gewicht und in der Reibleistung benachteiligt wird.
Ein V6-90°-Motor mit versetzten Hubzapfen erzeugt ein freies Moment 1. Ordnung, welches bei hohen Anforderungen an die Laufkultur des V6-Motors durch eine Ausgleichswelle ausgeglichen werden muß. Die Umfänge von Ausgleichswelle, Antrieb der Ausgleichswelle, Lagerung und Schmieröl-Zulaufbohrungen gehen wieder zu Lasten des V8-Motors, der dies nicht benötigt.
Moderne V6- und V8-Kurbelwellen besitzen heute je sechs Gegengewichte. Bei Normalausgleich-ähnlicher Entlastung der Kurbelwellenlager von den Massenkräften weisen dabei die jeweils beiden äußeren Gegengewichte gegenüber den inneren Gegengewichten eine wesentlich größere Gegengewichts-Breite auf.
Dies führt gegenüber den inneren Lagerabständen zu größeren Lagerabständen der Kurbelwellenlager von erster und letzter Kurbelkröpfung an beiden Motoren und zu einem erheblichen Steuerungs-Mehraufwand in den Fertigungs- und Montagelinien, sodaß die geringfügige Gewichtseinsparung an Ausgleichsmassen in den Gegengewichten nicht gerechtfertigt ist.
Die Gegengewichte von V8- und V6-90°-Kurbelwellen besitzen nicht nur unterschiedliche Gegengewichts-Breiten, sondern sind auch durch ihre unterschiedliche Formgebung und Winkellage zu den Hubzapfen gekennzeichnet, was die Herstellung der Kurbelwellen-Rohteile erschwert.
Die Gegengewichte werden am Gegengewichtsradius und in der Regel in der Breite bearbeitet, selbst eine Kontrollbearbeitung der Zentriwinkel ist durch die Vielzahl an Bearbeitungsebenen praktisch nicht möglich.
Dadurch ergeben sich Nachteile in der Ausgleichsgüte, denn verschleiß- und toleranzbedingte Abweichungen von der errechneten Gegengewichtsform führen zu einer nachteilig größeren Serienstreuung.
Zum Hauptnachteil der V8/V6-Baureihe wird jedoch der V-Winkel von 90°, der insbesondere mit Vierventiltechnik eine große Baubreite der Motoren ergibt, wodurch der hubraumkleinere und vorrangig auch in kleineren Fahrzeugen benötigte V6-Motor in diesen Fahrzeugklassen kaum noch einsetzbar ist.

Die Erfindung hat deshalb zur Aufgabe, eine V8/V6-Baureihe anzugeben, die mit einem kleineren V-Winkel einbaufreundlichere Motoren ergibt, in der bei gleichwertiger Laufkultur die beschriebenen nachteiligen Unterschiede der bekannten V90°-Baureihe beseitigt sind, sodaß sich deutliche Einsparungen in der Fertigung ergeben.

Da der Massenausgleich, das Laufverhalten und die Laufkultur des Motors von der Kurbelwelle bestimmt werden, beschränkt sich die Beschreibung der erfindungsgemäßen V-Motoren-Baureihe weitgehend auf dieses Bauteil.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe erfolgt unter folgenden Randbedingungen:
Es wird aus Einbaugründen ein V-Winkel von weniger als 90° gefordert, es gibt in der Baureihe keine Vorleistungen für einen Motor zu Ungunsten des anderen, die Laufkultur beider Motoren muß erhalten bleiben und die uneinheitlichen Bearbeitungs- und Montagevorgänge müssen beseitigt werden.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und den zugehörigen Figurenbeschreibungen.

Die Kurbelwellen der beiden Baureihenmotoren sind schematisch als Ausführungsbeispiele in den Zeichnungen dargestellt.

Bei der Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird wie folgt vorgegangen:
Für die V-Motorenbaureihe wird ein V-Winkel von 75° festgelegt.

Da beim V6-Motor die drei Kurbelkröpfungen (11 bis 13) in einem Winkel von 120° zueinander stehen und aus Vorleistungsgründen keine Ausgleichswelle zum Ausgleich eines Momentes 1. Ordnung zulässig ist, muß für den V-Winkel von 75° in den Kurbelkröpfungen (11 bis 13) eine Anordnung der Hubzapfen (1 bis 6) gefunden werden, die den Vollausgleich der in den Kurbelkröpfungen (11 bis 13) erzeugten oszillierenden Massenkräfte 1. Ordnung durch Gegengewichte (21 bis 26) in den Kurbelkröpfungen (11 bis 13) ermöglicht.

Beim V8-90°-Motor bilden die Kurbelkröpfungen (11 mit 12) und (13 mit 14) einen Winkel von 90°, die Kurbelkröpfungen (12 mit 13) einen Winkel von 180° und der Motor erzeugt kein freies Moment 1. Ordnung.

Für einen V8-75°-Motor ist deshalb ebenfalls eine Hubzapfen-Anordnung in den Kurbelkröpfungen (11 bis 14) zu finden, die ein freies Moment 1. Ordnung verhindert.

Mit dem Iterationsverfahren wird für beide V75°-Motoren ein Hubzapfenversatz von 30° gefunden, mit dem in den Kurbelkröpfungen (11 bis 14) eine konstante oszillierende Massenkraft 1. Ordnung von der Größe 0,966 m₀.r.w² erzeugt wird und die in der Kurbelkröpfung von Gegengewichten gleich großer Ausgleichskraft ausgeglichen werden kann.

Der Ausgleich der rotierenden Massenkräfte von zwei Zylindern in der Kurbelkröpfung (11 bis 14) erfolgt in vorteilhafter Weise durch zwei Gegengewichte (21 bis 28), die in der Kurbelkröpfung (11 bis 14) einen Winkel von 15° bilden. Durch diese Anordnung werden die Kurbelwellenlager (15 bis 19) zur Gänze von den rotierenden Massenkräften entlastet, was umso wichtiger ist, da die Seitenwände des Kurbelgehäuses geräuschempfindlich auf Queranregungen, insbesondere durch die mittigen Kurbelwellenlager, reagieren.

Da jetzt jede Kurbelkröpfung (11 bis 14) für sich die rotierenden Massenkräfte und oszillierenden Massenkräfte 1. Ordnung von zwei Zylindern mit zwei Gegengewichten (21 bis 28) vollständig ausgleicht, ist die Koppelung von Kurbelkröpfungen mit 120° Anschlußwinkel zur V6-Welle oder mit 90°- bzw. 180°- Anschlußwinkeln zur V8-Welle gegeben.

Es ist naheliegend, daß der gefundene Einheits-Ausgleich für die V6/V8-75°- Motoren für eine Einheits-Kurbelkröpfung genutzt wird, womit die Herstellkosten der Kurbelwellen-Rohteile deutlich gesenkt werden. Zusätzlich ergeben sich geringere Investitionskosten sowohl für die Kurbelwellen- und Kurbelgehäusebearbeitung, da jetzt alle Kurbelwellenlager gleiche Lagerabstände aufweisen können, als auch für die Montagelinien.

Fig. 1 zeigt die erste Kurbelkröpfung (11) eines erfindungsgemäßen V8-75°- Motors nach den Ansprüchen 1 bis 5.
Der V-Winkel der beiden Zylinderreihen beträgt 75°. Mit einem Hubzapfenversatzvon 30° der Hubzapfen (1,5) wird in der Kurbelkröpfung (11) eine konstante oszillierende Massenkraft 1. Ordnung erzeugt, die wie die konstanten rotierenden Massenkräfte der beiden Zylinder durch die Gegengewichte (21, 22) voll ausgleichbar ist.
Fig. 2 zeigt den Kurbelstern der Kurbelwelle (9) eines V8-75°-Motors mit den Kurbelkröpfungen (11 bis 14) und die darin angeordneten Hubzapfen (1 bis 8) und Gegengewichte (21 bis 28).
Es sei darauf hingewiesen, daß der erfindungsgemäße V8-75°-Motor auch einen Kurbelstern mit gegenseitig vertauschten Kurbelkröpfungen (12, 13) aufweisen kann.
Fig. 3 zeigt der Längsansicht der V8-75°-Kurbelwelle (9).
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist nach Anspruch 7 in den Kurbelkröpfungen (11 bis 14) zwischen den Hubzapfen (1 bis 8) eine Zwischenwange (10) angeordnet.
Mit der Zwischenwange (10) läßt sich die Schwächung der Kurbelwelle (9) in Kröpfungsmitte (20) der Kurbelkröpfungen (11 bis 14) durch die versetzten Hubzapfen (1 bis 8) vermeiden, sodaß die Durchmesser der Hubzapfen (1 bis 8) aus Steifigkeitsgründen der Kurbelwelle (9) nicht vergrößert werden müssen. Dadurch erreicht man nicht nur eine Reibleistungsreduzierung, sondern durch die leichteren Hubzapfen und folglich auch durch die leichteren Pleuelstangen eine Verminderung der rotierenden Massenkräfte, was wiederum zu kleineren Ausgleichsmassen in den Gegengewichten (21 bis 28) und zu einer Reduzierung des Gewichtes der Kurbelwelle (9) führt.
Nach den Ansprüchen 1 und 9 betragen die Zündabstände eines V8-75°-Motors 105° und 75° und sind damit zu gering unterschiedlich zum gleichmäßigen Zündabstand von 90°, um in der Kurbelwelle (9) zu einem nachteiligen Torsions-Schwingungsverhalten führen zu können.
Kleine Zündabstände ergeben ein günstiges Gleichlaufverhalten des Motors, wobei der Motorgleichlauf entscheidend von der Größe des Schwungrades beeinflußt wird.
Gaskräfte sind lastabhängige innere Kräfte, die nach außen mit dem Drehmoment des Motors und einem gleich großen Reaktionsmoment auf die Motoraufhängung wirken. Sie beanspruchen die Kurbelwelle im oberen Totpunkt auf Biegung und nach dem oberen Totpunkt zusätzlich auf Torsion, wobei die Gaskräfte nach dem oberen Totpunkt durch die Expansion kleiner werden.
Gaskräfte bewirken in der drehelastischen Kurbelwelle durch sich gegenseitig aufschaukelnde Drehmassen eine Torsionsschwingung der Kurbelwelle die eine verstärkende Wirkung auf die Ungleichförmigkeit ausübt.
Das Torsions-Schwingungsverhalten einer Kurbelwelle ist vorrangig von der Länge der Kurbelwelle abhängig.
Die Länge einer Reihenvierzylinder-Kurbelwelle entspricht der einer V8-Welle. Der Zündabstand eines R4-Motors beträgt 180°, wobei die Kurbelwelle in den Torsionsschwingungen sicher beherrscht wird. Selbst R4-Motoren mit Zylinderabschaltung sind beherrschbar, wobei der Zündabstand für die R4-Welle dann 360° beträgt. Der Zündabstände des V8-75°-Motors mit 105° und 75° müssen deshalb in dieser Relation bewertet werden.
(Fig. 4) zeigt den Kurbelstern einer V6-75°-Kurbelwelle (9).
Auch hier ist zu sagen, daß ein erfindungsgemäßer V6-75°-Motor auch eine Kurbelwelle (9) mit vertauschten Kurbelkröpfungen (11, 12) besitzen kann mit einer Zündfolge 1-4-2-5-3-6.
Der erfindungsgemäße V6-75°-Motor erzeugt kein freies Moment 1. Ordnung und auch das freie Moment 2. Ordnung ist geringer als bei V6-90°-Motoren mit und ohne Hubzapfenversatz.
Die Zündabstände von 105° und 135° müssen in Relation zur gleich lang bauenden Kurbelwelle eines Reihendreizylinders mit einem Zündabstand von 240° gesehen werden.
Von der erfindungsgemäßen V6/V8-Motorenbaureihe profitieren beide Motoren, sie sind kompakter, reibungsärmer und leichter, der V6-Motor benötigt keine Ausgleichswelle und die Vereinheitlichung der Kurbelkröpfungen senkt die Herstellkosten und das Invest für Bearbeitung und Montage. Bezugszeichenliste 1 bis 8 Hubzapfen
9 Kurbelwelle
10 Zwischenwange
11 bis 14 Kurbelkröpfungen
15 bis 19 Kurbelwellenlager
20 Kurbelkröpfungsmitte
21 bis 28 Gegengewichte
a Zylinderabstand
b Mittenabstand der Hubzapfen
F₁ oszillierende Massenkraft 1. Ordnung eines Zylinders

Claims

1. Kurbelwellen für eine V-Motoren-Baureihe mit sechs und acht Zylindern und einem V-Winkel zwischen 60° und 90°, insbesondere für V6- und V8- Motoren von Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß der V-Winkel einer V6/V8-Motoren-Baureihe 75° beträgt, bei einem V6-Motor der Hubzapfenversatz der Hubzapfen (1 bis 6) in den Kurbelkröpfungen (11 bis 13) der Kurbelwelle (9) sowie bei einem V8-Motor der Hubzapfenversatz der Hubzapfen (1 bis 8) in den Kurbelkröpfungen (11 bis 14) der Kurbelwelle (9) einheitlich 30° beträgt und die Zündabstände bei einem V6-Motor um 13% und bei einem V8-Motor um 17% vom gleichmäßigen Zündabstand abweichen.

2. Kurbelwellen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Kurbelkröpfung (11 bis 14) zwei Gegengewichte (21 bis 28) angeordnet sind und jedes Gegengewicht (21 bis 28) eine gleich große Ausgleichskraft erzeugt.

3. Kurbelwellen nach einem oder beiden der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Gegengewichte (21 bis 28) die gleiche Gegengewichts-Form aufweisen.

4. Kurbelwellen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen zwei Gegengewichte (21 bis 28) in den Kurbelkröpfungen (11 bis 14) einen Winkel von 15° bilden.

5. Kurbelwellen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Gegengewicht (21 bis 28) mit der Kurbelkröpfungsmitte (20) der Kurbelkröpfungen (11 bis 14) einen Winkel von 172,5° bildet.

6. Kurbelwellen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Gegengewicht (21 bis 28) eine Ausgleichskraft erzeugt, die etwa 97,4% der rotierenden Massenkraft und etwa 48,7% der oszillierenden Massenkraft 1. Ordnung eines Zylinders ausgleicht.

7. Kurbelwellen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kurbelkröpfungen (11 bis 14) zwischen den jeweiligen Hubzapfen (1 bis 8) eine Zwischenwange (10) angeordnet ist.

8. Kurbelwellen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittenabstand (b) der jeweils in den Kurbelkröpfungen (11 bis 14) angeordneten Hubzapfen (1 bis 8) etwa 30% des Zylinderabstandes (a) beträgt.

9. Kurbelwellen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündabstände bei einem V6-Motor 105° bzw. 135° und bei einem V8-Motor 105° bzw. 75° betragen.