Kurbelwelle Die Erfindung bezieht sich auf eine Kurbelwelle mit ausgebauchten Kurbelwangen, und es wird mit ihr angestrebt, eine Verbesserung der Wechselfestig keit, eine Gewichtsverminderung und eine Erhöhung, der Eigenfrequenz von Kurbelwellen zu erreichen.
Es ist bekannt, bei gegossenen Wellen doppel konische Zapfenbohrungen, durchbrochene und elliptische Wangen sowie andere Massnahmen form technischer Art durchzuführen, die beim Gussverfah- ren ohne Schwierigkeiten möglich sind. Es werden dadurch günstige Verhältnisse in bezug auf Festig keit und Gewicht geschaffen. Bei Stahlwellen ist es dagegen bedeutend schwieriger, ähnliche Vorkehrun gen zu treffen, da aus wirtschaftlichen Gründen gleiche Formen wie beim Guss fertigungstechnisch nicht reali sierbar sind.
Deshalb werden geschmiedete Kurbelwel len meistens verhältnismässig schwer und weisen un nötige Materialanhäufungen auf, während an expo nierten, hochbeanspruchten Stellen der erforderliche Werkstoff fehlt.
Bei einer bekannten Anordnung wird der Kraft.- fluss durch völlige Wegnahme des Werkstoffes an den Umlenkstellen der Kraftlinien über die Aussenpartien der verbreiterten Wangen weitergeleitet, womit die Entstehung grösserer Spannungen im Gebiet, in dem die beiden Hohlkehlen sich am nächsten kommen, vollkommen verhindert wird.
Die Wegnahme des Werkstoffes erfolgt in Kurbelwellenlängsrichtung durch eine die Wange durchbrechende Ausnehmung (siehe Fig. 6a und<B>6b).</B> Diese Massnahme bringt eine wesentliche Verbesserung des Kraftlinienflusses, ist jedoch in bezug auf die Stahlwelle fertigungstechnisch sehr teuer und hat den Nachteil, dass sie nicht an gewandt werden kann, wenn Wellenzapfen und Kur belzapfen sich überdecken.
Dieser Nachteil ist um so bedeutsamer, als durch die Forderung nach immer höheren Leistungen und Drehzahlen wegen der Herabsetzung von Biege-, Verdrehungs-, Lager- und Schwingungsbeanspruchung die Zapfen stärker aus geführt werden und deshalb eine Zapfenüberdeckung auftritt.
Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird die Aus- nehmung in der Wange nicht in Wangenquerrichtung, sondern in ihrer Längsrichtung vorgenommen, indem gemäss der Erfindung die Kurbelwangen in ihrem zentralen, zwischen Wellen- und Kurbelzapfen gelege nen Teil einen Hohlraum aufweisen, der in radialer Richtung beiderseitig offen ist.
Um das genannte Hohlbohren der Wange für geschmiedete Wellen zu vereinfachen und Material anhäufungen nicht beanspruchter Partien zu unter binden, wird zweckmässigerweise an der dem Kurbel zapfen abgekehrten Seite der Wange eine Einbuch tung in Form einer Anfräsung vorgesehen, derart, dass in den beiden Aussenseiten der Wange praktisch keine Schwächung eintritt.
Beide Massnahmen haben denselben günstigen Einfluss auf den Verlauf der Kraftlinien, indem der Kraftfluss von der kritischen mittleren Partie der Kurbel- bzw. Wellenzapfen weg geleitet, ohne Anhäufung in die verbreiterten Seiten der Wangen gedrängt und von dort, über eine grosse Fläche verteilt, wieder dem nächsten Zapfen zu geleitet wird. Ein weiterer Vorteil der Herausnahme von Material in der toten Zone der Kurbelwangen besteht in der erheblichen Gewichtserleichterung der Kurbelwelle und der dadurch bedingten Hebung der Eigenfrequenz.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Kurbelwelle liegt ferner darin, dass zur Befestigung und Zentrie rung der Gegengewichte die nun vorhandenen Wan- genhohlräume ohne Nachbearbeitung dienen können. Ferner ist eine einzige Schraube pro Gegengewicht notwendig, wodurch die Formgebung der Gegen- gewichte in bezug auf den Massenausgleich beson ders wirksam vorgenommen werden kann.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Es zeigen: Fig. <B>1</B> eine Kurbelwellenkröpfung des ersten Bei- spieles im Schnitt durch den Wellenzapfen, Fig. 2 dieselbe in Seitenansicht, wobei die linke Hälfte der Figur einen Mittelschnitt darstellt, Fig. <B>3</B> dieselbe in Draufsicht, linke Hälfte als Mittelschnitt durch den Kurbelzapfen, nach Schnitt linie III-III von Fig. <B>1,</B> Fi-. 4 das zweite Ausführungsbeispiel im Längs- im schnitt,
Fig. <B>5</B> eine Kurbelwellenkröpfung konventioneller Art, in welcher der Verlauf der Kraftlinien eingetragen ist, Fig. <B>6</B> eine verbesserte Wellenkröpfung bekannter Art, Fig. <B>7</B> eine axonometrische Darstellung der in den Fig. <B>1-3</B> veranschaulichten Kurbelwellenkröpfung. In den Fig. <B>1-3</B> sind mit<B>1</B> die Wellenzapfen, mit<B>21</B> der Kurbelzapfen, mit<B>3</B> die beiden Wangen und ferner mit 4 die Gegengewichte bezeichnet.
Sowohl die Wellen- als auch die Kurbelzapfen sind in Längsrich tung durchbohrt, um das Gewicht zu senken und die Eigenfrequenz der Welle zu erhöhen. Die von den Kurbelzapfen abgewandten Seiten der Wangen weisen eine Einbuchtung<B>6</B> auf, deren Tiefe nach den beiden Querseiten allmählich abnimmt. Sie kommt durch eine Anfräsung der Wangen zustande. Auf diese Weise behalten die Wangen zu ihren beiden Querseiten die volle Breite und der Wangenquerschnitt nimmt U-för- mige Gestalt an.
Die Anfräsung <B>6</B> in Verbindung mit der in radialer Richtung nach beiden Seiten offenen Bohrung<B>7</B> ermöglicht auf einfache Weise, die Kurbel wangen<B>3</B> in ihrem zwischen Wellen- und Kurbel zapfen gelegenen Teil hohl zu gestalten. Der durch diese Doppelmassnahme bedeutend verbesserte Kraft- linienverlauf ist in der Zeichnung eingetragen.
Zum besseren Verständnis ist in den Fig. <I>5a</I> und <B>5b</B> der Kraftlinienverlauf einer Kurbelkröpfung kon ventioneller Art dargestellt. Man erkennt deutlich, dass die Kraftlinien in Wan.genmitte stark zusammen- gedrängt werden und an den Hohlkehlen von Wellen- und Kurbelkröpfung eine ausgesprochen scharfe Umlenkung erfahren, die bekanntlich zu hohen Span nungsspitzen führt.
Bei der erfindungsgemässen, in Fig. <B>1-3</B> dargestellten Ausbildung der Wellenkröpfung werden dagegen die Kraftlinien nach den beiden Quer seiten der Kurbelwangen gedrängt. Besonders aus Fig. <B>3</B> ist der Einfluss der Wangenbohrung <B>7</B> deutlich ersichtlich. Die Kraftlinien sind genötigt, die Bohrung zu umfahren, womit sie gerade die gefährdetsten Hohl- kehlenstellen der Zapfen vermeiden.
Sie verlaufen da- durchgestreckter und sind viel besser auseinandergezo- gen. Der Kraftlinienverlauf ist vergleichbar mit dem Durchfluss einer Flüssigkeit vom Hohlwellenzapfen zum versetzt angeordneten Hohlkurbelzapfen. Das durch die Kurbelwange versinnbildlichte Zwischen- glied setzt diesem Stromverlauf in offensichtlicher Weise nur einen geringen Widerstand entgegen, da die Stromfäden nicht zusammengedrängt und eingeknickt,
sondern in etwa gleichbleibenden Querschnitten vom einen Hohlkörper nach dem andern hinüberströmen können. Von besonderer Bedeutung ist der Umstand, dass die Zapfenbohrung<B>7</B> den günstigen Einfluss auf den Kraftlinienverlauf durchaus nicht hindert, sondern ähnlich wie bei einem Strömungsvorgang als Leitapparat dient.
Ausser dem günstigeren Verlauf der Kraftlinien bringt die vorgeschlagene Anordnung noch andere Vorteile mit sich, nämlich eine wesentliche Gewichts erleichterung, besonders durch das Anfräsen der Wan- genaussenseiten, eine#Erhöhung der Biege und Torsions- festigkeit in bezug auf das Gesamtgewicht der Welle und somit das Höherverlegen der Eigenfrequenz des Mo tors. So wird es z.
B. möglich, bei einem 6-Zylinder- motor die gefährliche Kritische der<B>6.</B> Ordnung ober halb der Betriebsdrehzahl zu verlegen, während sie normalerweise mittels eines teuren Dämpfers oder Tilgers auf ein zulässiges Mass gedämpft werden muss. Die Vorteile der grösseren Zapfendurchmesser und der grösseren Steifigkeit wirken sich besonders dadurch aus, dass bei erhöhten Motorleistungen und höheren Zünddrücken die spezifischen Lagerbelastungen in üblichen Grenzen gehalten werden können und ausser dem Kantenpressungen in den Wellenlagern weit gehend vermieden werden.
Wie aus den Fig. <B>1</B> und 2 ersichtlich, sind die Gegengewichte 4 mittels einer einzigen Schraube<B>8</B> befestigt, die durch den Hohlraum<B>7</B> eingeführt wer den kann. Diese Befestigungsart bringt den Vorteil mit sich, dass die besonders wertvollen Aussenpartien der Gegengewichte nicht angeschnitten werden müssen, um die Schraubenköpfe im Umfangsbereich des Gegengewichtes unterzubringen. Ferner lassen sich Gewindelöcher in der Kurbelwelle vermeiden, welche bekanntlich Anlass zu Anrissen sind. Die Ge windebohrung befindet sich nun im Gegengewicht selbst, wo sie unschädlich ist.
Für die Weiterleitung des Schmieröles von den Wellen- nach den Kurbelzapfen lässt sich die erfin dungsgemässe Ausbildung der Wangen in sehr vor teilhafter Weise ausnützen. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist hierzu ein Schmierrohr<B>9</B> vorgesehen, das vom Wellenzapfen<B>1</B> durch den Hohlraum<B>7</B> der Wange hindurch nach dem Inneren des Kurbelzapfens 2 ge führt ist. An seinen beiden Enden ist das Rohr in einer Büchse<B>10</B> gehalten, die an ihrem einen, auf den Bund des Schmierrohrs<B>9</B> wirkenden Ende konisch ausgebildet und am Gegenende mit Gewinde ver sehen ist, über das die Mutter 12 geschraubt wird.
Auf diese Weise kann die aus den Teilen<B>10</B> und 12 gebil dete Stütze mit Schmierrohr<B>9</B> sehr stramm gegen das Innere des Zapfens verspannt werden, in welcher Stellung die Mutter gegen das Stück<B>10</B> durch Ein rasten eines Stiftes gesichert wird. Bei diesem Mon tagevorgang ist es von Vorteil, dass der Zugang zur Kurbelzapfenbohrung durch die Anfräsung <B>6</B> bedeu- tend erleichtert und auch die Kontrolle der Schmier vorrichtung verbessert wird. Wie im Kurbelzapfen, befindet sich auch im Wellenzapfen eine Stütze<B>10,</B> 12 der beschriebenen Art.
Die Zugänglichkeit ist hier zwar durch die Befestigungsschraube des Gegen gewichtes etwas behindert, aber nötigenfalls können bei einer Kontrolle dieses Stützgliedes die Befesti gungsschraube<B>8</B> und das Gegengewicht 4 demontiert werden.
üblicherweise wird die überleitung des Schmier öles an der betrachteten Stelle etwa folgendermassen ausgeführt: In die Bohrung von Wellen- und Kurbel zapfen ist eine Umlenkbüchse eingepresst, in welcher entsprechende Kanäle für die richtige Weiterleitung des Öles angebracht sind. Gegenüber dieser bekann ten Vorrichtung weist die beschriebene Anordnung folgende Vorteile auf: Die erwähnten üblichen Um- lenkbüchsen entfallen vollständig und damit auch die teuren Feinpassungs-Bearbeitungskosten der Zapfen bohrungen.
Ferner fallen damit die in den Umlenk- büchsen vorhandenen Öltaschen weg, in denen sich Ölkohle und Schwebestoffteilchen absetzen, die später unter Umständen wieder mitgerissen werden. Auch das namentlich durch die Öltaschen bedingte lange Vorpumpen von Hand beim Motoranlassen entfällt. Sehr erwünscht ist sodann der Wegfall von Schmier- ölbohrungen, die die Kurbelwangen meist schräg durchsetzen und bekanntlich gerne zu Anrissen An- lass geben.
Vorteilhaft nimmt sich auch die nun leichte Ein- und Ausbaumöglichkeit aller Teile der Schmiermittelübertragung aus.
In dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist schliesslich gezeigt, dass das Hohlbohren der Kur belwangen unter Umständen auch ausgeführt werden kann, ohne ein Anfräsen der Wangenaussenseiten vor zunehmen. Auch die Befestigung der Gegengewichte 4 kann bei dieser Ausführungsweise wie beim ersten Ausführungsbeispiel durchgeführt werden.
Es ist selbstverständlich, dass die gezeigten Mass nahmen des Anfräsens und Hohlbohrens der Kurbel wangen auch bei Kurbelwellen durchgeführt werden .können, deren Zapfen nicht hohlgebohrt sind. Ausser dem ist zu erwähnen, dass sich auch gegossene Wellen hiezu eignen, wenn z. B. auf eine saubere Oberfläche der betreffenden Partien besonderer Wert gelegt wer den sollte.
Crankshaft The invention relates to a crankshaft with bulged crank webs, and it is aimed with her to achieve an improvement in the Wechselfestig speed, a weight reduction and an increase in the natural frequency of crankshafts.
It is known to carry out double conical pin bores, perforated and elliptical cheeks and other measures of a technical form in the case of cast shafts, which are possible without difficulty in the casting process. This creates favorable conditions in terms of strength and weight. With steel shafts, on the other hand, it is significantly more difficult to take similar precautions, since for economic reasons the same shapes as with cast iron cannot be produced in terms of production technology.
For this reason, forged crankshafts are usually relatively heavy and have unnecessary accumulations of material, while the required material is missing in exposed, highly stressed areas.
In a known arrangement, the flow of force is passed on by completely removing the material at the deflection points of the lines of force via the outer parts of the widened cheeks, which completely prevents the development of greater tensions in the area where the two fillets come closest.
The material is removed in the longitudinal direction of the crankshaft through a recess breaking through the cheek (see FIGS. 6a and 6b). </B> This measure brings a significant improvement in the flow of lines of force, but is very expensive in terms of production technology and has to do with the steel shaft the disadvantage that it cannot be used when the shaft journals and the crank journals overlap.
This disadvantage is all the more significant as the pins are made stronger and therefore a pin overlap occurs due to the demand for ever higher performance and speeds due to the reduction of bending, twisting, storage and vibration stress.
In order to avoid this disadvantage, the recess in the cheek is not made in the transverse direction of the cheek, but in its longitudinal direction by, according to the invention, the crank cheeks having a cavity in their central part located between the shaft and crank pin and extending in the radial direction is open on both sides.
In order to simplify the said hollow drilling of the cheek for forged shafts and to prevent the accumulation of material from uncontrolled areas, a recess in the form of a milled cut is expediently provided on the side of the cheek facing away from the crank pin, so that in the two outer sides of the cheek practically no weakening occurs.
Both measures have the same beneficial influence on the course of the lines of force, in that the flow of force is directed away from the critical central part of the crank or shaft journals, pushed into the widened sides of the cheeks without accumulation and from there, distributed over a large area, again to the next spigot. Another advantage of removing material in the dead zone of the crank webs is the considerable reduction in weight of the crankshaft and the resulting increase in the natural frequency.
Another advantageous further development of the crankshaft is that the cheek cavities that are now present can be used to fasten and center the counterweights without reworking. Furthermore, a single screw per counterweight is necessary, as a result of which the shape of the counterweights can be made particularly effective with regard to the mass balancing.
Two exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown in the drawing.
They show: FIG. 1 a crankshaft offset of the first example in a section through the shaft journal, FIG. 2 the same in side view, the left half of the figure representing a central section, FIG. 3 / B> the same in plan view, left half as a central section through the crank pin, according to section line III-III of Fig. <B> 1, </B> Fi-. 4 the second embodiment in longitudinal in section,
FIG. 5 shows a conventional type of crankshaft offset in which the course of the lines of force is plotted, FIG. 6 shows an improved known type of offset offset, FIG. 7 an axonometric representation of the crankshaft throw illustrated in FIGS. 1-3. In FIGS. <B> 1-3 </B> <B> 1 </B> are the shaft journals, <B> 21 </B> are the crank journals, and <B> 3 </B> are the two Cheeks and also denoted by 4 the counterweights.
Both the shaft and the crank pin are drilled through in the longitudinal direction to reduce weight and increase the natural frequency of the shaft. The sides of the cheeks facing away from the crank pin have an indentation <B> 6 </B>, the depth of which gradually decreases towards the two transverse sides. It comes about by milling the cheeks. In this way, the cheeks keep their full width on both of their transverse sides and the cheek cross-section takes on a U-shape.
The milling <B> 6 </B> in connection with the bore <B> 7 </B> which is open on both sides in the radial direction enables the crank to cheek <B> 3 </B> between shafts in a simple manner - and crank pin to make the part located hollow. The course of the force lines, which has been significantly improved by this double measure, is shown in the drawing.
For a better understanding, FIGS. <I> 5a </I> and <B> 5b </B> show the course of the force lines of a conventional crank throw. One can clearly see that the lines of force in the center of the cheek are strongly compressed and undergo a very sharp deflection at the fillets of the shaft and crank crank, which, as is well known, leads to high voltage peaks.
In the embodiment of the wave crank according to the invention, shown in FIGS. 1-3, on the other hand, the lines of force are pushed towards the two transverse sides of the crank webs. The influence of the cheek bore <B> 7 </B> is particularly evident from FIG. 3. The lines of force are forced to bypass the borehole, thus avoiding the most endangered fillet areas of the tenons.
They run more straight through and are much better drawn apart. The course of the lines of force is comparable to the flow of a liquid from the hollow shaft journal to the offset hollow crank journal. The intermediate link symbolized by the crank arm obviously only offers a slight resistance to this current flow, since the current filaments are not compressed and kinked,
but can flow over in approximately constant cross-sections from one hollow body to the other. Of particular importance is the fact that the pin bore <B> 7 </B> does not by any means prevent the favorable influence on the course of the force lines, but rather serves as a guide device, similar to a flow process.
In addition to the more favorable course of the lines of force, the proposed arrangement has other advantages, namely a significant reduction in weight, especially due to the milling of the outer sides of the cheeks, an increase in the flexural and torsional strength in relation to the total weight of the shaft and thus the Move the natural frequency of the motor higher. So it is z.
For example, it is possible in a 6-cylinder engine to relocate the dangerous critical of the <B> 6th </B> order above the operating speed, while it normally has to be dampened to a permissible level by means of an expensive damper or absorber. The advantages of the larger journal diameter and the greater rigidity are particularly evident in the fact that the specific bearing loads can be kept within the usual limits with increased engine power and higher ignition pressures and, in addition to edge pressures in the shaft bearings, are largely avoided.
As can be seen from FIGS. 1 and 2, the counterweights 4 are fastened by means of a single screw 8, which is inserted through the cavity 7 can. This type of fastening has the advantage that the particularly valuable outer parts of the counterweights do not have to be cut in order to accommodate the screw heads in the circumferential area of the counterweight. Furthermore, threaded holes in the crankshaft can be avoided, which are known to give rise to cracks. The threaded hole is now in the counterweight itself, where it is harmless.
The design of the cheeks according to the invention can be used in a very advantageous manner for the transmission of the lubricating oil from the shaft to the crank pin. As can be seen from FIG. 2, a lubrication tube <B> 9 </B> is provided for this purpose, which extends from the shaft journal <B> 1 </B> through the cavity <B> 7 </B> of the cheek to the inside of the Crank pin 2 leads ge. At both of its ends, the tube is held in a bushing, which is conical at one end acting on the collar of the lubricating tube and is threaded at the opposite end , over which the nut 12 is screwed.
In this way, the support formed from parts <B> 10 </B> and 12 with lubricating tube <B> 9 </B> can be clamped very tightly against the inside of the pin, in which position the nut against the piece < B> 10 </B> is secured by engaging a pin. During this assembly process, it is advantageous that access to the crank pin bore is significantly facilitated by the milled cut <B> 6 </B> and that the control of the lubricating device is also improved. As in the crank pin, there is also a support <B> 10, </B> 12 of the type described in the shaft journal.
The accessibility is somewhat hindered here by the fastening screw of the counterweight, but if necessary the fastening screw <B> 8 </B> and the counterweight 4 can be removed when checking this support member.
Usually, the transfer of the lubricating oil at the point under consideration is carried out as follows: A deflection bushing is pressed into the bore of the shaft and crank pins, in which appropriate channels are attached for the correct transfer of the oil. Compared to this known device, the arrangement described has the following advantages: The usual deflection bushes mentioned are completely eliminated and thus also the expensive fine-fit machining costs for the pin bores.
Furthermore, the oil pockets in the deflection bushings, in which oil carbon and suspended matter particles settle, which may later be carried away again, are no longer necessary. There is also no need for long manual priming when starting the engine, which is due to the oil pockets. The elimination of lubricating oil bores, which usually penetrate the crank webs at an angle and, as is well known, like to give rise to cracks, is then very desirable.
The now easy installation and removal option for all parts of the lubricant transfer is also advantageous.
In the exemplary embodiment shown in FIG. 4, it is finally shown that the hollow drilling of the cure Belwangen can, under certain circumstances, also be carried out without milling the outer sides of the cheek. The fastening of the counterweights 4 can also be carried out in this embodiment as in the first embodiment.
It goes without saying that the measures shown for milling and boring the crank cheeks can also be carried out on crankshafts whose journals are not hollow. It should also be mentioned that cast shafts are also suitable if z. B. particular importance should be attached to a clean surface of the parts concerned.