DE3128744C2 - Kurbelwelle - Google Patents

Abstract

Bei einer Kurbelwelle wird vorgeschlagen, daß sich Lagerzapfen und Hubzapfen in axialer Richtung und in radialer Richtung überlappen, wobei die maximale Überlappung in axialer Richtung durch die Wangenbreite gegeben ist, daß Lagerzapfen und/oder Hubzapfen im Überlappungsbereich derart geformt sind, daß Lagerzapfen und Hubzapfen flächig aneinanderliegen, daß in den Zwickel zwischen Lagerzapfen und Hubzapfen eingepaßte Füllstücke vorgesehen sind und daß Lagerzapfen, Hubzapfen und Füllstücke von einer Wickelbandage umgeben und zur Verbindung von Lagerzapfen und Hubzapfen sowie zur Ausbildung der Wange durch die Wickelbandage zusammengespannt sind.

Description

Schlußelemente 3 bzw. 4, die zur Befestigung der Schwungscheibe bzw. zum Antrieb der Steuereinrichtung des Kolbentriebwerkes dienen.

Eine detaillierte Beschreibung des Aufbaus wird im ff folgenden anhand der F i g. 2 und 3 gegeben.

§fi Aus F i g. 2 erkennt man, daß sowohl die Lagerzapfen

f| 1 als auch die Hubzapfen 2 als rohrförmige Zapfen aus- *| gebildet sind, die aus einem Faserverbundwerkstoff bell stehen, in dem die eingelagerten Fasern 6 verlaufen. Die fg. Fasern können in mehreren Lagen vorgesehen sein, die to Js unterschiedliche Orientierung haben, beispielsweise in It mehreren sich unter 45° kreuzenden Lagen.

H Die Lagerzapfen und die Hubzapfen überlappen sich

§£ in Längsrichtung der Kurbelwelle. Außerdem ergibt £j sich in diesem Bereich auch eine Überlappung senk- is 14 recht zur Kurbelwellenlängsachse. Sowohl die Lager- *- zapfen als auch die Hubzapfen sind in diesem Überlap-

B pungsbereich abgeflacht, so daß die parallel zur Kurbel-

< J wellenachse verlaufenden ebenen Abflachungen flächig

ancinanderiiegen, wie dies aus dsr Darstellung der ^ F ig. 3 deutlich wird.

f) Auf der dem Hubzapfen 2 gegenüberliegenden Seite

wird der Lagerzapfen an seiner unteren Hälfte von ei- f _t nem Gegengewicht 9 umgeben, welches vorzugsweise

0 aus einem schweren Metall, beispielsweise Grauguß, be- ** steht In den Zwickel zwischen Lagerzapfen und Hub-

j" zapfen ist von beiden Seiten her ein der Kontur der

r beiden Zapfen angepaßtes Füllstück 10 eingesetzt, wel-

_i ches längs einer Trennlinie 11 flächig am Gegengewicht ι, 9 anliegt Die Außenkontur des Gegengewichts und der

w Füllstücke ist dabei derart gewählt, daß sich eine stetige

Umfangsünie ergibt die durch das Gegengewicht, das ^f, eine Füllstück, den Hubzapfen und das andere Füllstück

t gebildet wird(F ig. 3).

Längs dieser Umfangsfläche ist eine Wickelbandage ;_r 12 um die Anordnung herumgelegt, welche die Einzelteile, also den Hubzapfen, den Lagerzapfen, die beiden Füllslücke und das Gegengewicht fest gegeneinander spannt. Die Wickclbandage besteht ebenso wie Lagerzapfen und Hubzapfen aus einem Faservcrbundstoff; die Fasern verlaufen in Umfangsrichtung.

In axialer Richtung entspricht die Ausdehnung der Wickclbandage dem Überlappungsbercich /wischen Lagerzapfen und Hubzapfen und der Breite des Gegengewichtes (F i g. 2). Die Wickclbandage und die von ihr umgebenen Teile bilden zusammen die Wange 5 der Kurbel.

Zwischen benachbarten Wangen werden sowohl die Lagerzapfen als auch die Hubzapfen von einer metalli-', sehen Lagerhülse 13 bzw. 14 umgeben.

Die Fülistücke können aus einem Faserverbundwerkstoff bestehen, beispielsweise aus spritzgegossenem Verbundwerkstoff oder durch Herausarbeitung aus Gewebclaminatcn. Sie haben lediglich formgebende Funktion, und daher kann ein Faserverbundwerkstoff gerin- : ger Dichte verwendet werden. Sie können auch aus

Leichtmetall bestehen.

Als Material zur Herstellung der Lagerzapfen, der Hubzapfen und der Wickelbandagen kommen als Fa-■'-; serverbundwerkstoffe insbesondere kohlestoffaserver-

stärkter Kunststoff oder glasfaserverstärkter Kunststoff in Frage. Diese Materialien können auch zur Herstellung der Füllstücke verwendet werden.

Die anhand der F i g. 2 und 3 beschriebene Wange

umfaßt ein Gegengewicht 9. Lagerzapfen und Hubzap-

Γ, fen können auch in einer Wange miteinander verbunden

werden, die keine Gegengewichte enthält, wie dies bei den Wangen 5a in Fip. 1 der Fall ist. In diesem Falle werden die Füllstücke so geformt, da3 sie tangential sowohl am Umfang des Lagerzapfens als auch am Umfang des Hubzapfens anliegen; diese Einheit wird dann von einer Wickelbandage umgeben.

Das in F i g. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig.2 lediglich dadurch, daß die Rächen 7 und 8, längs welcher Lagerzapfen und Hubzapfen flächig aneinanderliegen, nicht parallel zur Achse der Kurbelwelle verlaufen, sondern gegenüber dieser geneigt Dadurch läßt sich die Anordnung an die auftretenden Biegemomente besonders vorteilhaft anpassen.

Bei dem in Fig.6 dargestellten abgewandelten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser der Hubzapfen im Vergleich zum Durchmesser der Lagerzapfen im Gegensatz zu den Ausführungsbeispiehn der F i g. 1 bis 4 kleiner. Außerdem ist die Außenkontur der Füllstücke 10 und des Gegengewichts 9 derart gewählt, daß die Wickclbandage gekrümmt verläuft, geradlinige Stücke ■ αχ* τ vl ItIIWUVII OilIU. LSIWO Wl IWIWIIlWl 1 VIiW ' IWlOlVItUIIg UWl Kurbelwelle, insbesondere das Umwickeln im Wangenbereich.

Im Ausführungsbeispiel der F i g. 6 erkennt man auch, daß in die Gegengewichte Bohrungen zur Feinabstimmung der dynamischen Auswuchtung eingebracht sein können.

In dem in Fig.5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind Hubzapfen, Lagerzapfen und zwei Füllstücke von einer Wickelbandage 12 umgeben; insofern ähnelt der Aufbau der oben beschriebenen Wange 5a. Diese Baueinheit wird von einer zweiten Wickelbandage 15 umgeben, wobei zwischen der ersten Wickelbandage 12 und der zweiten Wickelbandage 15 ein Gegengewicht 16 und daran anschließende Füllstücke 17 angeordnet sind Es ergibt sich somit ein Aufbau mit zwei Wickelbandagen, wobei die innere Wickelbandage 12 zunächst nur der Verbindung von Lagerzapfen und Hubzapfen dient, während die äußere Wickelbandage 15 zusätzlich die Aufgabe der Halterung des Gegengewichtes übernimmt. Die Wickelbandage 15 kann ebenso aufgebaut sein wie die Wickelbandage IZ d. h. sie kann aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehen, in dem die Fasern in Umfangsrichtung verlaufen.

Alle freien Oberflächen des Faserverbundwerkstoffes der gesamten Kurbelwelle können — falls erforderlich — mit einer undurchlässigen Schicht überzogen werden, die aus einem geeigneten, temperatur- und ölresistenten Kunststoffmaterial bestehen kann.

Bei der Herstellung der in Fig. 1 dargestellten Kurbelwelle werden zunächst die Lagerzapfen und die Hubzapfen gefertigt. Auf diese Zapfen werden die Anschlr'iel.emente 3 und 4 aufgeschoben und in der aufgeschobenen Lage fixiert, beispielsweise durch einen geeigneten Kleber.

Sollen im Triebwerk einteilige Pleuelstangen und geschlossene Lager der Kugel-, Walzen- oder Nadellagerbauart verwendet werden, so werden diese auf die entsprechenden Zap. en geschoben. Zum Umwickeln der Zapfen mi\ den Wickelbandagen werden Lager- und Hubzapfen in einer Vorrichtung fixiert Insbesondere hohle Zapfen bieten dabei eine gute Positionierungsmöglichkeit, in dem sie auf ausgerichtete Achsen geschoben werden können. So können alle Lagerzapfen auf einfache Weise axial fluchtend ausgerichtet werden.

Anschließend werden die vorgefertigten Füllstücke mit Klebstoff versehen, auf den Zapfen fixiert, und die gesamte Baueinheit wird mit einer oder gegebenenfalls mit zwei Wickclbandaeen umwickelt.

Wie bereits erwähnt, ermöglicht der erfindungsgemäße Aufbau der Kurbelwelle die Verwendung von Materialien, die bisher auf diesem Gebiet unüblich waren, nämlich von faserverstärkten Verbundwerkstoffen, insbesondere von faserverstärkten Kunststoffen. Dabei 5 wird gegenüber Kurbelwellen, die in herkömmlicher Weise aus Stahl hergestellt sind, eine Gewichtscinsparung bis zu ca. 50 Prozent erreicht. Gewichtscinsparungen ergeben sich auch dadurch, daß einteilige Pleuel verwendet werden können, dadurch erzielt man Gewichtsersparnisse bis zu 30 Prozent im Vergleich zu Pleuelstangen, die in herkömmlicher Weise am Plcuclauge geteilt werden müssen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen is

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Claims (6)

1 2 27 13 856). Patentansprüche: Bei Pleuelstangen ist auch bereits ein Aufbau mit zwei Lagerschalen, einem Füllstück und einer diese Teile zu-

1. Kurbelwelle, bei welcher sich benachbarte Kur- sammenhaltenden Wickelbandage bekannt (DE-OS beizapfen im Bereich von sich senkrecht zur Kurbel- 5 2951 112).

Wellenlängsrichtung erstreckenden Wangen in axia- Es ist auch bereits eine Kurbelwelle bekannt, bei der ler und in radialer Richtung überlappen, wobei die zwei exzentrische Zapfen dadurch miteinander verbunmaximale Überlappung in axialer Richtung durch den werden, daß die Zapfen sich in axialer und \d radiadie Breite der Wangen gegeben ist, und die Kurbel- ler Richtung überlappen, wobei beide Zapfen im Überwellenzapfen im Überlappungsbereich derart ge- 10 lappungsbereich flächig aneinanderliegen (DE-PS formt sind, daß sie flächig aneinanderliegen, mit in 8 79 489). Die beiden flächig aneinanderliegenden Zapden Zwickel zwischen die Zapfen eingepaßten Füll- fenenden werden bei dieser bekannten Ausgestaltung stückeii und mit einem die Zapfen und die Füllstücke von Füllstücken insgesamt kreisförmig umgeben, und umschließenden Spannelement, dadurch ge- die Gesamtanordnung wird von einem Klemmring umkennzeichnet, daß ein zweites Spannelement 15 geben, der die beiden Zapfen zusammenspannL
(15) vorgesehen ist, welches das erste Spannelement Ausgehend von dieser Konstruktion liegt dem An-(12) sowie ein dem Hubzapfen (2) diametral gegen- meldegcgenstand die Aufgabe zugrunde, eine Kurbelüberliegendes, zwischen beiden Spannelementen an- welle mit Gegengewichten in den Kurbelwangen zu geordnete: Gegengewicht (16) und weitere Füllstük- schaffen, die bei geringer Masse dennoch zufriedenstelke (1?) ünsgjbt, und daß die Spannelemente (12» 15) 20 !ende Festigkeit»- und Steifigkeitseigenschaften aufals Wickelbandagen aus faserverstärktem Kunst- weist
stoff ausgebildet sind. Diese Aufgabe wird bei einer Kurbelwelle der ein-

2. Kurbelwelle, bei welcher sich benachbarte Kur- gangs beschriebenen Art erfindungsgemäß entweder beizapfen im Bereich von sich senkrecht zur Kurbel- durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruwellenlängsrichtung erstreckenden Wangen in axia- 25 ches 1 oder die kennzeichnenden Merkmale des Anler und in radialer Richtung überlappen, wobei die Spruches 2 gelöst

maximale Überlappung in axialer Richtung durch Es hat sich als außerordentlich günstig erwiesen, Wik-

die Breite der Wangen gegeben ist, und die Kurbel- kelbandagcn aus faserverstärktem Kunststoff zum Zu-

wellenzapfen im Überlappungsbcreich derart ge- sammenspannen der Kurbelwellenteile zu verwenden

formt sind, ΛΒ sie flächig aneinanderliegen, mit in 30 und dabei auch die Gegengewichte durch solche Wik-

den Zwickel zwischen die Zapfen eingepaßten Füll- kelbandagen aus faserverstärktem Kunststoff mit der

stücken und mit einem die Zapfen und die Füllstücke Kurbelwelle zu integrieren.

umschließenden Spannelement dadurch gekenn- Vorteilhaft ist es dabei, wenn auch die Kurbclwellen-

zeichnet, daß das Spannelemeiu als Wickelbandage zapfen aus einem faserverstärktem Kunststoff bestehen.

(12) aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet ist 35 Dadurch wird das Gewicht der Kurbelwelle zusätzlich

und ein dem Hubzapfen (2) gegenüberliegendes Ge- herabgesetzt.

gengewicht (9) umschließt. Vorzugsweise verlaufen die Fasern der Wickelbanda-

3. Kurbelwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gen zumindest teilweise in UrofangsrvHtung. Auch diese gekennzeichnet daß auch die Kurbelwellenzapfen Fasern können bevorzugt Kunslstoffasern sein.

(1, 2) aus einem faserverstärkten Kunststoff beste- 40 Es ist vorteilhaft, wenn die Wickelbandagen über ihnen, ren gesamten Umfang längs einer konvex gekrümmten

4. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1, 2 Umfangslinie um die von ihr zusammengespannten EIe- oder 3, dadurch gekennzeichnet daß die Fasern der mente geführt sind. Dadurch ergibt sich eine bessere Wickelbandagen (12,15) zumindest teilweise in Um- Umwicklungsmöglichkeit bei der Herstellung der Kurfangsrichtung verlaufen. 45 beiwelle.

5. Kurbelwelle nach Anspruch 4, dadurch gekenn- Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausfühzeichnet, daß die Fasern Kohlenstoffasern sind. rungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang

6. Kurbelwelle nach einem der voranstehenden mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigt
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wik- F i g. 1 eine Seitenansicht einer teilweise aufgebrokelbandagen (12, 15) über ihren gesamten Umfang 50 chen dargestellten Kurbelwelle;

längs einer konvex gekrümmten Umfangslinie um F i g. 2 eine vergrößerte Teilschnittansicht der Kur-

die von ihr zusammengespannten Elemente geführt beiwelle der F i g. 1;

ist F i g. 3 eine Schnittansicht längs Linie 3-3 in F i g. 2;

F i g. 4 eine Ansicht ähnlich F i g. 2 eines anderen Aus-

55 führungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle;

F i g. 5 eine Ansicht ähnlich F i g. 3 eines weiteren bc-

Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle der im Ober- vorzugten Ausführungsbcispicls einer erfindungsgemäbegriff der Ansprüche 1 oder 2 angegebenen Art. ßen Kurbelwelle und

Kurbelwellen für Brennkraftkolbenmaschincn, insbe- m> F i g. 6 eine Ansicht ähnlich F i g. 3 eines weiteren besondere für Otto- und Dieselmotoren, bestehen aus mc- vorzugten Ausführungsbcispiels einer erfindungsgemätallischen Werkstoffen, insbesondere au» Stahl und aus ßcn Kurbelwelle.

Stahlguß. Zur Verringerung der Masse werden Kurbel- Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Kurbelwelle ist für

wellen mit hohlen Lager- und Hub/apfen verwendet. eine Vierzylinder-Reihcnkolbenbrennkraftmaschinebc-Sie sind meist als einteilige Konstruktionen ausgeführt. 65 stimmt und weist dementsprechend fünf axial miteinan-Eine Verringerung der rotierenden Masse der Pleuel- der fluchtende Wellenzapfen 1 sowie vier exzentrisch stangen ist durch die Verwendung einteiliger Pleuel- zur Wellcnachseangeordnete Hubzapfen2auf. Diebeistangen bei geteilten Kurbelwellen möglich (DE-OS den äußeren Lagerzapfen 1 tragen metallische An-