DE10061042C2 - Gebaute Kurbelwelle und ein Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents
Gebaute Kurbelwelle und ein Verfahren zur Herstellung derselbenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine gebaute Kurbelwelle gemäß dem Ober
begriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zur Herstel
lung derselben gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 17.
Strengere Abgasvorschriften verlangen eine Abgasnachbehandlung
und/oder verbrennungstechnische Maßnahmen im Motor. Verbesse
rungen im Verbrennungsablauf sind durch die Anhebung des Ver
dichtungsdruckes möglich. Eine höhere Belastung der Triebwerks
komponenten geht damit einher. Geometrische Begrenzungen im
Kurbelraum erlauben jedoch nur in begrenztem Umfang Verstärkun
gen an der Pleuelstange sowie Vergrößerungen der Kurbelwellen
ausgleichsmassen. Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Bauteilfes
tigkeit bei gleichzeitig erheblicher Reduzierung des Bauteil
gewichtes ist die Verwendung neuer Werkstoffe. Ein besonders
geeigneter Pleuelstangenwerkstoff erscheint aus heutiger Sicht
kohlefaserverstärktes Leichtmetall (Aluminium bzw. Magnesium).
Das Gewichteinsparungspotenzial bei einer Pleuelstange kann da
bei in einer Reduzierung auf 1/3 des heutigen Bauteilgewichtes
liegen. Ein entscheidender Nachteil von faserverstärkten Mate
rialien für die Herstellung der Pleuelstange ist, dass der
Pleueldeckel sich von der Pleuelstange nicht ohne weiteres
durch das bekannte, kostengünstige Bruchtrennen separieren
läßt. Daher erfordern faserverstärkte Leichtmetalle eine Trenn
flächenbearbeitung zwischen Pleueldeckel und Pleuelstange. Da
durch steigen die Bauteilkosten erheblich. Dazu kommt, dass
durch die Trennfläche der Kraftfluß im Bauteil empfindlich ge
stört wird und erhebliche Festigkeitseinbußen auftreten. Selbst
eine spezielle Orientierung der Verstärkungsfasern entlang der
Trennfläche kann die Festigkeitseinbußen nur teilweise kompensieren.
Ein weiterer Nachteil ist, dass in die Leichtbaupleuel
stange Gewindebüchsen eingeformt sein müssen, die zusammen mit
den Stahlschrauben zum Fügen des Pleueldeckels an die Pleuel
stange die Gewichtsvorteile teilweise zunichte machen. Aus den
genannten Gründen kann eine Pleuelstange aus kohlefaserver
stärktem Leichtmetall nur dann vorteilhaft eingesetzt werden,
wenn sie ungeteilt ausgeführt wird.
Eine ungeteilte Pleuelstange erfordert, dass sie im fertig be
arbeiteten Zustand auf den fertig bearbeiteten Hubzapfen der
Kurbelwelle aufgeschoben wird. Dies wiederum ist nur dann mög
lich, wenn die Kurbelwelle mehrteilig ist. Erst nach der Monta
ge der Pleuelstange auf den Hubzapfen kann die Verbindung zwei
er benachbarter Kurbelwangen hergestellt werden. Die Anforde
rung, Reparaturen an Hublagern weiterhin prinzipiell zu ermög
lichen, verlangt ein nicht unlösbares Fügeverfahren.
Die Kurbelwelle ist ein enorm hoch beanspruchtes Bauteil. Kon
ventionelle Welle-Nabe-Verbindungen zum Fügen des Hubzapfens an
die Kurbelwange(n) sind nicht zielführend. Bereits aus dem 19.
Jh. sind Lösungen bekannt, Kurbelwellen für Dampflokomotiven
durch Segmente aufzubauen. Eine bekannte Lösung ist, den jewei
ligen Hubzapfen mittels Schrauben radial an die jeweilige Kur
belwange zu befestigen (die Hubzapfen weisen Durchgangslöcher
für die Schrauben auf). Eine andere bekannte Lösung verbindet
den Hubzapfen und die Kurbelwange mittels achsparallel verlau
fender Schrauben (die Kurbelwangen weisen Durchgangslöcher
auf). Die axialen Anlageflächen des Hubzapfens und der jeweils
kontaktierten Kurbelwangeninnenseite können bei diesem Verfah
ren mit einer Stirnverzahnung (z. B. Hirth-Verzahnung) zur Stei
figkeitserhöhung versehen sein. Eine andere bekannte Lösungs
möglichkeit ist, die Verbindung mit dem zylindrischen Bogenkeil
(bzw. Kreiskeil) auszuführen. Bei zylindrischen Bogenkeilprofi
len wird die Werkstofffestigkeit in radialer Richtung viel frü
her überschritten, bevor ein betriebssicherer axialer Verschie
bewiderstand aufgebaut ist. Die bekannten mechanischen Fügever
fahren sind entweder aus fertigungstechnischer Sicht sehr aufwendig
oder verleihen der Kurbelwelle nicht die erforderliche
Steifigkeit. Thermische Fügeverfahren, z. B. Reibschweißen, sind
nicht zielführend, da die nicht unerhebliche Wärmezufuhr zu
drastischen Qualitätseinbußen an den fertig bearbeiteten Hubla
gern führen kann.
Eine aus dem Stand der Technik bekannte Kurbelwelle bzw. ein
aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren ist in der DE 42 09 153 C2
gezeigt, wobei bei der dort beschriebenen Welle-Nabe-
Verbindung die hohlwellenartigen Pleuellager- und Hauptlager
zapfen an der Außenfläche eine Mehrzahl keilförmiger Erhebungen
aufweisen. Die diesen Zapfen zugewandten und auf diese zu ste
ckenden als Naben dienenden Zapfen besitzen ein entsprechendes
Innenkeilprofil. In der Stecklage werden die Zapfen gegeneinan
der verdreht, so daß eine Klemmung hohen Kraftschlusses ein
tritt und der Zusammenbau der Kurbelwelle somit nach der
schrittweisen Fixierung der Wellensegmente aneinander abge
schlossen ist. Die Keilflächen können dabei zur Achse von Welle
und Nabe geneigt sein. Die die Keilfläche und damit die Fü
gefläche bildende Grundkurve wird aus einer Mehrzahl logarith
mischer Spiralenabschnitte gebildet, wobei es sich hier um Ab
schnitte auf verschiedenen, zu einander drehversetzten, loga
rithmischen Spiralen handelt. Die erreichte Verbindung ist in
folge der Reibung selbsthemmend. Die mehrzahligen Bogenkeiler
hebungen können auch in Längsschnittansicht kegelig ausgeführt
sein. Hierbei kann sich die Welle zu dem in der Nabe befindli
chen Ende hin zur Aufnahme von hohen Zugkräften verdicken, wo
bei bei entsprechend enger Passungswahl nur ein thermisches Fü
gen von Welle und Nabe möglich sein soll. Aufgrund der Mehrzah
ligkeit verteilt sich beim Verspannen der Welle in der Nabe der
Fügedruck auf eine relativ kleine Kontaktfläche, da sich die
nicht-kontaktierenden Oberflächenzonen der Fügepartner mit der
Anzahl der Keilflächen multiplizieren. Infolge dessen ist der
radiale Fügedruck insoweit beschränkt, als daß die Werkstoff
festigkeit aufgrund der lokalen hohen Beanspruchung relativ
schnell überschritten werden kann, was einen Bruch der Nabe oder
des Wellenteils zur Folge hat. Gegebenenfalls kann die
Spannung im Gefüge des Werkstoffes beim Verspannen zwar so hoch
sein, daß dabei kein Brechen oder ein Riß der Verbindung auf
tritt, jedoch kann dies nachträglich im Motorbetrieb durch die
äußere mechanische Beanspruchung erfolgen. Bei Einhaltung eines
unkritischen Fügedruckes tritt jedoch der Effekt auf, daß auf
grund der Kürze eines Bogenkeils des mehrzahligen Bogenkeilpro
files die radiale Profilausdehnung relativ gering ist. Dadurch
können elastische Verformungen beim Fügen auftreten, die den in
Fügedrehrichtung herrschenden Reibschluß überwinden, so daß ein
Durchrutschen des Wellenteils in der Nabe zustande kommen kann.
Aus der DE 42 37 521 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer
gebauten Kurbelwelle für Hubkolbenmaschinen bekannte, wobei die
Kurbelwellensegmente thermisch gefügt werden. Der zylindrische
Hubzapfen weist beim Fügen eine erheblich geringere Temperatur
auf als die Kurbelwange. Der nach dem Fügen durch Egalisierung
der Temperaturdifferenz entstandene Preßverband wird zusätzlich
mittels Laserstrahl verschweißt, wodurch eine stoffschlüssige,
nicht mehr lösbare Verbindung entsteht. Weitere Verfahren über
eine zusammengesetzte und mittels eines thermischen Verfahrens,
insbesondere Schweißen oder Löten, zu einem Bauteil unlösbar
verbundene Kurbelwelle werden beispielsweise in der DE 195 36 349 C1,
der DE 30 01 267 C2, der DE 37 28 142 C2 und der DE 34 46 262 A1
aufgezeigt.
Weitere nicht-mechanische Verfahren zum Fügen von Kurbelwellen
segmenten zu einer Komplettwelle sind aus der DE 37 38 808 A1
und der DE 38 37 294 C2 zu entnehmen, wobei dort das Fügen von
Hubzapfen und Kurbelwangen mittels der Innenhochdruckumform
technik durch fluidisches Aufweiten des Innenteiles erfolgt.
Der gefügte Hubzapfen muß aus Qualitätsgründen zerspanend nach
bearbeitet werden. Dadurch ist das Aufschieben einer ungeteil
ten Pleuelstange vor dem Fügen nicht möglich. Die Verbindung
ist zerstörungsfrei nicht lösbar.
Des weiteren ist aus der DE 37 38 717 A1 eine gebaute Kurbel
welle bekannt, zu deren Herstellung Schrauben als Verbindungselemente
eingesetzt werden. Die Verbindung zwischen Kurbelwange
und Hubzapfen ist somit mittelbar ausgeführt.
Schließlich zeigt die DE 37 29 992 A1 eine in Querrichtung zu
sammengesetzte Kurbelwelle.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aus dem Stand
der Technik bekannte Kurbelwelle dahingehend weiterzubilden,
daß sie ohne thermische Behandlung prozeß- und betriebssicher
zusammengebaut und trotzdem bei Bedarf schadensfrei in ihre
Einzelteile zerlegt werden kann. Des weiteren soll ein Verfah
ren zu deren Herstellung aufgezeigt werden.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patent
anspruches 1 hinsichtlich der Kurbelwelle und durch die Merkma
le des Patentanspruches 17 hinsichtlich des Herstellungsverfah
rens gelöst.
Kennzeichnend für die erfindungsgemäße Lösung ist die gleich
zeitige, kombinierte Anwendung zweier Wirkprinzipien unter Aus
nützung eines dritten Effektes: Das Verfahren nutzt das Prinzip
der bekannten Schwalbenschwanzverbindung im direkten und unmit
telbaren Zusammenwirken mit dem Wirkprinzip des bekannten Bo
genkeils. Diese beiden Verbindungsverfahren führen zusammen mit
den Einbauverhältnissen der Kurbelwelle im Motor, die als Ver
drehsicherung fungieren, zu einer sicheren, in alle Richtungen
formschlüssigen Verspannung der Kurbelwellensegmente. Aufgrund
dessen, daß in kongruenter Lage von Zapfen und Aufnahmeöffnung
der Zapfen bezüglich der Aufnahmeöffnung Untermaß besitzt, ist
es - entgegen dem Stand der Technik - sehr wohl möglich, einen
Preßverband mit einem sich dem Wellenende hin verdickenden Ke
gel ohne thermisches Fügen, sondern durch eine drehförmige Re
lativbewegung der Fügepartner, herzustellen. Die Erfindung geht
davon aus, dass die jeweiligen Fügepartner auf gleiches Nennmaß
d mit einer Passung im Grundabmaß des Internationalen Toleranz
feldes H bzw. h gefertigt sind, so daß bei der erwähnten kon
gruenten Lage der Zapfen in die Aufnahmeöffnung durch dessen
schmales Ende in einfacher Weise einschiebbar ist. Aufgrund des
abstützenden Zusammenwirkens eines mit dem Zapfen wirkverbunde
nen axialen Anschlages auf dessen der Öffnung abgewandten Seite
mit dem Öffnungsrand der Aufnahmeöffnung wird mittels einer Re
lativdrehbewegung von Zapfen und Öffnung zueinander ein axialer
Formschluß erreicht, bei dem der Anschlag am Öffnungsrand der
Aufnahmeöffnung anliegt. Mit der unverrückbaren Fixierung der
Kurbelwelle in radialer Richtung durch die aus dem Achsenver
satz von Hubzapfen und Hauptlager sich ergebende Hebelwirkung
in Einbaulage im Motor kann die Kurbelwelle ohne die Gefahr un
gewollten und unerwünschten Radialwinkelverstellens der einzel
nen Kurbelwangen oder gar der Loslösung einzelner Kurbelwangen
aus dem Gesamtverbund prozeß- und betriebssicher allein durch
mechanisches Fügen aus Einzelsegmenten zur Komplettwelle zusam
mengesetzt werden. Dadurch erhält die gebaute Kurbelwelle eine
besonders hohe wirtschaftliche Bedeutung, da nun ungeteilte
Pleuelstangen aus Leichtbauwerkstoffen unbedenklich eingesetzt
werden können. Dies hindert natürlich nicht einen Gebrauch ei
ner geteilten Pleuelstange, wenn dies anderweitig zweckmäßig
erscheint. Des weiteren zeichnet sich hierzu die erfindungsge
mäß gebaute Kurbelwelle durch die einfache Austauschbarkeit
einzelner Wellensegmente auch nach längerer Betriebsdauer aus,
da das Fügeverfahren schadensfrei reversibel ist. Durch die
Entnahme der Kurbelwelle aus dem Motor ist es möglich, ohne
großen Aufwand den Formschluß zu lösen und durch Zurückdrehen
bspw. des Zapfens die Kurbelwelle in ihre Bestandteile zu ver
einzeln. Hierbei kann bezogen auf eine einstückige Welle ein
hohes Maß an Metallschrott in ressourcensparender Weise vermie
den und in ökonomischer Hinsicht günstig die Zahl an neu herzu
stellenden Kurbelwellen reduziert werden. Des weiteren ist der
Zusammenbau der in Längsrichtung segmentierten Kurbelwelle ohne
Verbindungselemente möglich, so daß zusätzliche Bauteile und
damit zusammenhängende Fügeschritte verfahrensökonomischerweise
entfallen.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran
sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand
mehrerer in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele
nachfolgend näher erläutert; dabei zeigt:
Fig. 1 in einem Längsschnitt die kegeligen und ebenen Fügeflä
chen der Welle-Nabe-Verbindung einer erfindungsgemäßen Kurbel
welle nach der Drehpositionierung von Zapfen und Aufnahmeöff
nung,
Fig. 2 in einer achsnormalen Seitenansicht die Verbindung von
Fig. 1,
Fig. 3, in einem Querschnitt die Aufnahmeöffnung der Welle-
Nabe-Verbindung aus Fig. 1 in einer fräserpraktikablen Ausbil
dung,
Fig. 4 in einem Querschnitt der Zapfen der Welle-Nabe-
Verbindung aus Fig. 1 in einer fräserpraktikablen Ausbildung,
Fig. 5 in einem Querschnitt die konischen Fügeflächen der Wel
le-Nabe-Verbindung aus Fig. 1 zu Beginn des Steckvorganges des
erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
Fig. 6 in einem Längsschnitt die kegeligen und ebenen Fügeflä
chen der Welle-Nabe-Verbindung der erfindungsgemäßen Kurbelwel
le von Fig. 1 nach dem Steckvorgang,
Fig. 7 in einem Längsschnitt die kegeligen und ebenen Fügeflä
chen der Welle-Nabe-Verbindung der erfindungsgemäßen Kurbelwel
le von Fig. 1 nach einer Relativverdrehung von Aufnahmeöffnung
und Zapfen aus der Stecklage heraus bei Erreichen der Anlagepo
sition der miteinander zusammenwirkenden Fügeflächen,
Fig. 8 in einem Querschnitt die konischen Fügeflächen nach der
Relativverdrehung aus Fig. 7,
Fig. 9 in einem Querschnitt die konischen Fügeflächen der Wel
le-Nabe-Verbindung der erfindungsgemäßen Kurbelwelle von Fig. 1
nach weiterer Relativverdrehung gleicher Drehorientierung zur
Erreichung der axialen Verspannung des erfindungsgemäßen Her
stellungsverfahrens,
Fig. 10 abschnittsweise die Fügepartner Zapfen und Aufnahmeöff
nung in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 11 in einem Längsschnitt quasikegelige und ebene Fügeflä
chen einer Welle-Nabe-Verbindung gemäß einer weiteren erfin
dungsgemäßen Kurbelwelle in drehpositionierter Lage von Zapfen
und Aufnahmeöffnung,
Fig. 12 in einem Längsschnitt die quasikegeligen und ebenen Fü
geflächen der Welle-Nabe-Verbindung der erfindungsgemäßen Kur
belwelle von Fig. 11 nach dem Steckvorgang,
Fig. 13 in einem Längsschnitt die quasikegeligen und ebenen Fü
geflächen der Welle-Nabe-Verbindung der erfindungsgemäßen Kur
belwelle von Fig. 11 nach einer Relativverdrehung von Aufnahme
öffnung und Zapfen aus der Stecklage heraus bei Erreichen der
Anlageposition der miteinander zusammenwirkenden Fügeflächen,
Fig. 14 in einem Längsschnitt zwei Segmente der erfindungsgemä
ßen Kurbelwelle nach Fig. 1 in der drehpositionierten Stellung
von Zapfen und Aufnahmeöffnung vor dem Steckvorgang mit an der
die Aufnahmeöffnung tragenden Kurbelwange ausgebildetem Hubzap
fen,
Fig. 15 in einem Längsschnitt die beiden Kurbelsegmente aus
Fig. 14 in Stecklage,
Fig. 16 in einer Frontalansicht die Kurbelsegmente aus Fig. 14
mit Pleuelstange in Stecklage der Fügepartner,
Fig. 17 in einem Längsschnitt zwei Segmente der erfindungsgemä
ßen Kurbelwelle nach Fig. 1 in Stecklage von Zapfen und Aufnahmeöffnung
mit an der den Zapfen tragenden Kurbelwange ausgebil
detem Hubzapfen,
Fig. 18 in einem Längsschnitt die Kurbelwellensegmente aus Fig.
14 nach Relativverdrehung in die axial verspannte Lage,
Fig. 19 in einer Frontalansicht die Stellung der Kurbelwellen
segmente aus Fig. 18,
Fig. 20 in einem Längsschnitt zwei Kurbelwellensegmente einer
erfindungsgemäßen Kurbelwelle nach Fig. 1 mit einem Hubzapfen
als separatem Bauteil, welches mit zwei Zapfen der Welle-Nabe-
Verbindung die Kurbelwellensegmente verbindet, in Stecklage der
mit gegenläufiger Spiralenwindungsorientierung versehenen Zap
fen in den Aufnahmeöffnungen der Kurbelwellensegmente,
Fig. 21 in einem Längsschnitt die Kurbelwellensegmente mit dem
Hubzapfen aus Fig. 20 in einer axial verspannten Lage von Zap
fen und Aufnahmeöffnung,
Fig. 22 in einem Längsschnitt zwei Kurbelwellensegmente einer
erfindungsgemäßen Kurbelwelle nach Fig. 1 mit einem Hubzapfen
als separatem Bauteil, welches mit zwei ein axiales unrundes
Durchgangsloch tragenden Zapfen der Welle-Nabe-Verbindung die
Kurbelwellensegmente verbindet, in Stecklage der mit gleicher
Spiralenwindungsorientierung versehenen Zapfen in den Aufnahme
öffnungen der Kurbelwellensegmente,
Fig. 23 in einer Frontalansicht die Kurbelwellensegmente aus
Fig. 22,
Fig. 24 in einem Längsschnitt die Kurbelwellensegmente aus Fig.
22 in axial verspannter Lage,
Fig. 25 in einer Frontalansicht die Kurbelwellensegmente aus
Fig. 24.
Eine geteilte (gebaute) Kurbelwelle besteht aus einer Mehrzahl
an Kurbelwangen 1, 5 und den sie verbindenden Hauptlagern 22
bzw. Hubzapfen 14. Von denjenigen Kurbelwangen 1 bzw. 5 erheben
sich zu beiden Enden der Kurbelwelle Hauptlager 22, wobei die
Hauptlager 22 der ganz außen liegenden Kurbelwangen 1 und 5
nach außen hin in Abtriebszapfen übergehen. Die Mittellinie der
Hauptlager/Abtriebszapfen, nachfolgend mit Kurbelwellendrehach
se 17 bezeichnet, und die Hubzapfen 14 verlaufen parallel; ent
sprechend der Zündfolge haben sie einen relativen Drehversatz
zueinander. An den Hubzapfen 14 werden drehbar Pleuelstangen 19
befestigt; die Kurbelwelle selbst wird drehbar an den Hauptla
gern 22 im Kurbelgehäuse des Motors fixiert. Ein Kurbelwellen
segment besteht demnach aus einem Hauptlager 22 (ggf. mit Ab
triebszapfen) und einer stoffschlüssig verbundenen Kurbelwange
1 oder 5. Es gilt, die gleiche Anzahl an Kurbelwellensegmenten
in axiale Längsrichtung kettenförmig an ein Basissegment zu fü
gen entsprechend der Zylinderanzahl des Motors, in den die Kur
belwelle eingebaut werden soll.
Zum Zusammensetzen zweier Kurbelwellensegmente (Kurbelwangen)
sind erfindungsgemäß vier Fügeschritte erforderlich. Fig. 1
zeigt eine Axialschnittdarstellung entlang der zentralen Achse
7 der Fügeverbindung. Im allgemeinen fällt diese Achse 7 mit
der Mittenachse des Hubzapfens 14 zusammen. Im ersten vorberei
tenden Fügeschritt werden die zu fügenden Bauteile - linke Kur
belwange 1 und rechte Kurbelwange 5 (bzw. in einer anderen Aus
führungsvariante: linke Kurbelwange 1 und Hubzapfen 14) in eine
bestimmte Drehlage zueinander gebracht. Die Pleuelstange 19 be
findet sich bereits auf dem Hubzapfen 14. Der rechte Fügepart
ner 5 (bzw. 14) ist an seinem linken Ende als konischer Zapfen
3 ausgeführt bzw. mit diesem stoffschlüssig verbunden. Der Zap
fen 3 kann jedoch auch ein Einzelteil sein, das an dem Füge
partner befestigt ist. Dies kann für den Austausch des Zapfens
bei Reparaturfälligkeit unter Kostengesichtspunkten erforder
lich sein. Das Kurbelwellensegment 1 hat als Gegenstück zum ko
nischen Zapfen 3 eine formnegative konische Aufnahmeöffnung 2.
Die konische Form des Zapfens 3 erweitert sich zu der jeweilig
zugehörigen Öffnung 2 hin. Beide Fügeteilflächen, die der Öff
nung 2 und die des Zapfens 3, sind Strahlflächen 6, die durch
Erzeugende gebildet werden. Nach dem ersten Fügeschritt haben
die Leitlinie 15 der konischen Öffnung 2 und die Leitlinie 15
des konischen Zapfens 3 die gleiche Drehlage bezüglich eines
raumfesten Koordinatensystems. Der Zapfen 3 ist so ausgebildet,
dass er sich entgegen der Fügerichtung des nachfolgenden zwei
ten Fügeschrittes hin öffnet und an seinem anderen, dünneren
Ende in eine ebene Anlagefläche 4 übergeht. Die ebene Fläche 4
steht senkrecht zur zentralen Achse 7 der Fügeverbindung und
auch senkrecht zur Achse des Hubzapfens 14.
Die Leitlinie 15 ist jeweils ein Windungsabschnitt einer loga
rithmischen Spirale. Die Leitlinie 15 der konischen Fügefläche
am Innenumfang der Öffnung 2 liegt in der den Öffnungsrand 10
beinhaltenden inneren Stirnfläche der Kurbelwange 1. Die Leit
linie 15 der konischen Fügefläche am Außenumfang des Zapfens 3
liegt in der ebenen Anlagefläche 4. Die Ebene 9, äußere Stirn
fläche der linken Kurbelwange 1, muß nicht zwangsläufig paral
lel zur anderen Stirnfläche der Kurbelwange 1 sein; die Kurbel
wange 1 kann an der Hauptlagerseite 9 schräg verlaufen. In Fig.
1 erscheinen die Leitlinien 15 als projizierende Geraden. In
Fig. 2 sind die Leitlinien 15 als Spiralenabschnitte ersicht
lich. In jedem zur Seitenansicht in Fig. 2 parallelen Achsnor
malschnitt ist die Umfangslinie des Kegels 6 eine logarithmi
sche Spirale gleicher Steigung.
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen, dass die zentrale Achse 7 der Füge
verbindung durch das jeweilige Zentrum der Leitlinien 15 und
durch die Kegelspitzen 8 läuft. Die Achse 7 ist parallel zur
Kurbelwellendrehachse 17 und muß nicht zwangsläufig mit der
Mittenachse des Hubzapfens 14 zusammenfallen. Aus Gründen der
besseren Werkstoffausnützung können hierbei die beiden Achsen
zueinander parallel versetzt sein. In diesen Fällen handelt es
sich um exzentrische Anordnungsvarianten der Fügeverbindung.
In der definierten relativen Drehlage wird im zweiten Fü
geschritt der kegelige Zapfen 3 entlang der Achse 7 in das zu
verbindende separate Bauteil 1 eingeführt bzw. Bauteil 1 auf
den Zapfen 3 geschoben (Fig. 6). Das relative Hineinschieben
des konischen Zapfens 3 in die Aufnahmeöffnung 2 ist ohne ther
mische Behandlung nur dann möglich, wenn die größten Abmessun
gen des Zapfens 3 (in Ebene 11) gleich oder kleiner sind, als
die kleinsten Abmessungen der konischen Aufnahmeöffnung 2 an
Bauteil 1 (in Ebene 28). Es ist zweckmäßig, entsprechende
"Durchmesser" d (vgl. Fig. 1 und Fig. 2) innerhalb eines Pass
masses zu fertigen. Das Maß d in Ebene 28 der Öffnung 2 soll im
Toleranzfeld H gefertigt sein; das in der Ebene 11 des öff
nungszugewandten Endes des Zapfens 3 liegende Maß d soll vor
zugsweise im Toleranzfeld h liegen. Die beschriebene translato
rische (zweite) Fügebewegung erfolgt bis zum Anschlag, bis das
Bauteil 1 mit seinem ebenen Öffnungsrand 10 an der Planfläche 4
des axialen Anschlages des anderen Fügepartners 5 (bzw. 14) ab
stützend anliegt. Der Anschlag ist im Anschluß an das verjüngte
Ende 29 des Zapfens 3 absatzartig mit zum Öffnungsrand 10 der
Aufnahmeöffnung 2 parallel verlaufender Anschlagfläche, also
der Planfläche 4, ausgebildet ist. Der Anschlag und seine An
schlagfläche ist, wie gezeigt, umlaufend durch die Stirnseite
der Kurbelwange 5 gebildet. Der Anschlag kann alternativ auch
durch einen separaten Ringbund oder auch nur lokal durch ver
schiedene in Umfangsrichtung versetzte Ringsegmente ausgebildet
sein. Des weiteren ist es denkbar, daß der axiale Anschlag vom
Ansatz einer sich an das verjüngte Ende 29 des Zapfens 3 stoff
schlüssig anschließenden konischen Erweiterung gebildet ist.
Obwohl diese Möglichkeit fertigungstechnische Vorteile durch
die Verwendung des einfach auszuführenden Feindrehens bringen
mag, ist die flächige Ausführung des axialen Anschlages in der
Hinsicht zu bevorzugen, daß bei der Relativdrehbewegung die a
xiale Verspannung erheblich effektiver erfolgt, wenn der Öff
nungsrand 10 eine ausreichend große Reibfläche als Widerpart
besitzt.
Zwischen den Fügeflächen der Aufnahmeöffnung 2 und des Zapfens
3 der Kurbelwangen 1 und 5 hat sich nun ein radialer Spalt 16
eingestellt (Fig. 6). Idealerweise würde der Übergang am Ende
des profilbildenden Bogenabschnittes (Querschnittsprofil von 2
bzw. 3) durch einen Geradenabschnitt 20 einer Profilbegren
zungsgeraden gebildet (Fig. 2). In dieser Ansicht (Öffnung 2 in
Fig. 2, Fig. 8 bzw. Fig. 9) sollte diese Gerade möglichst radi
al zum - mit M bezeichneten - Spiralenzentrum hin verlaufen.
Die Gerade kann jedoch auch schräg verlaufen (wie für den Zap
fen 3 in Fig. 2, Fig. 8 bzw. Fig. 9 beispielhaft dargestellt).
Aus fertigungstechnischen Gründen ist eine exakt radial ausge
richtete Ausbildung der Profilkehle sowohl beim Zapfen 3 als
auch bei der Öffnung 2 nur mit hohem Aufwand realisierbar. Des
halb wird in der Regel in den Profilquerschnitten eine andere
Übergangszone zu akzeptieren sein, die sich beispielsweise mit
dem Freilauf eines rotierenden Schneidwerkzeuges bei der Pro
filformgebung einstellt. Jede Abweichung von der idealen, radi
al zu M verlaufenden Spiralenübergangszone bedingt einen Pro
filbasisverlustwinkel ϕB, der zur Übertragung von Kontaktkräf
ten zwischen den beiden Fügepartnern 1 und 3 nicht genutzt wer
den kann. Deshalb sollte der Profilbasisverlustwinkel ϕB mög
lichst klein gehalten werden. Fig. 3 zeigt das Profil 15 der
Öffnung 2 in der Ebene 28 des Bauteils 1, das durch das bekann
te mehrachsige Fräsen herstellbar ist. Im Gegensatz dazu zeigt
Fig. 4 das Profil des Zapfens 3 in der Ebene 11, das ebenfalls
durch das bekannte Fräsen herstellbar ist. Bei gleichem Fräs
werkzeug ist der Winkel ϕB aus geometrischen Gründen an der
Öffnung 2 stets größer, als am Zapfen 3. Fig. 5 zeigt die Pro
filquerschnitte im zweiten Fügeschritt zum Zeitpunkt der Über
deckung der Ebenen 28 und 11, wenn das Zapfenprofil aus Fig. 4
relativ in die Öffnung 2 (Fig. 3) eingeführt wird.
Der axiale Formschluss zwischen den Fügepartnern wird dadurch
erreicht, dass der Zapfen 3 im nachfolgenden dritten Fü
geschritt relativ zum Bauteil 1 verdreht wird (Fig. 7 und Fig.
8). Diese relative Drehbewegung, mit Fügespielausgleichsbewe
gung bezeichnet, erfolgt entgegen der Spiralenwindungorientierungsrichtung.
Durch die relative Drehbewegung des Zapfens 3
verringert sich der radiale Spalt 16, der sich nach dem zweiten
Fügeschritt eingestellt hat, auf null. Der Spielausgleich er
folgt absolut zentrisch. Unabhängig von einem eventuellen radi
alen Versatz der Fügepartner nach Beendigung des zweiten Fü
geschrittes gelangen die Spiralenbereiche der Querschnittspro
file von 2 und 3 zur Überdeckung. Nach dem dritten Fügeschritt
sind die Spiralenabschnitte von 2 und 3 kongruent (Fig. 8).
Dies trifft auf alle Querschnittsprofile entlang der überdeck
ten, mit LZ bezeichneten Fügetiefe zu. Der Zapfen 3 gelangt über
den Großteil seiner Oberfläche mit dem Bauteil 1 in unmit
telbaren Oberflächenkontakt. Wegen der Fügespielausgleichsbewe
gung stellt sich jedoch am Profilumfang eine zusätzliche, über
den fertigungsbedingten Profilbasisverlustwinkel ϕB hinausge
hende, nicht kontaktierende Zone ein. Sie ist mit dem Füge
spielausgleichswinkel ϕF bemaßt. Zum besseren Verständnis wur
den für die zeichnerischen Darstellungen Verhältnisse gewählt,
die einen sehr großen Fügespielausgleichswinkel ϕF ergeben.
Reale Werkstücke werden so auszulegen sein, dass sich ein Füge
spielausgleichswinkel im Bereich von beispielsweise 30° bis 90°
einstellt.
Nachdem der Fügespalt 16 eliminiert ist, wird der Zapfen 3 wei
ter relativ gegen das Bauteil 1 verdreht (Fig. 9), wobei sich
infolge elastischer Verformungen ein Fugendruck aufbaut. Der
Zapfen 3 wird zusammengedrückt, während die Öffnung 2 eine Auf
weitung erfährt. Die nicht kontaktierende Werkstückoberfläche
verkleinert sich zusätzlich um den sog. Lastwinkel ϕL, der im
allgemeinen im Bereich von wenigen Winkelgraden, deutlich unter
10°, liegt. Aufgrund der gewählten Parameter bleibt jedoch ein
deutlich größerer Oberflächenbereich des Zapfens 3, als seinem
halben Umfang entspricht, in fest klemmendem, sich radial ab
stützendem Kontakt mit dem Bauteil 1. (Summe der "Verlustwin
kel" ϕB + ϕF + ϕL < 180°). Aufgrund der konischen Ausführung der Öff
nung 2 und des Zapfens 3 ist mit dieser Drehbewegung in diesem
dritten Fügeschritt erfindungsgemäß eine axiale Verspannung
verbunden. Mit der Drehbewegung um den Lastwinkel ϕL baut sich
nicht nur ein radialer Fugendruck, sondern auch ein Fugendruck
zwischen den Ebenen 4 und 28 auf. Diese axiale Vorspannung ist
formschlüssig und garantiert in entscheidender Weise die Bau
teilstabilität.
Die Steigung der logarithmischen Profilspirale im Zusammenwir
ken mit dem mit β0 bezeichneten Basisöffnungswinkel des Kegels
6 (Zapfen 3 bzw. Öffnung 2) wird so gewählt, dass sich eine
Selbsthemmung einstellt; d. h. dass sich nach Wegnahme des für
den dritten Fügeschritt erforderlichen Montagedrehmomentes sich
der Zapfen 3 gegebenenfalls nicht von selbst wieder aus der
Öffnung 2 herausdreht. In diesem Montagezwischenzustand sind
die beiden Fügepartner in die eine Drehrichtung formschlüssig,
in die andere Drehrichtung reibschlüssig verbunden. Der Reib
schluss dient lediglich dazu, die Fügepartner 2 und 3 in ihrer
Verspannungslage und ihrer Radialrelativlage zur Handhabung für
den abschließenden vierten und gleichzeitig letzten Fügeschritt
vorzufixieren. In nachfolgend beschriebenen Ausführungsvarian
ten dient der Reibschluss primär nicht dazu, Betriebskräfte zu
übertragen. Die Erfindung setzt einen Reibschluss nicht notwen
digerweise voraus.
Als Alternative ist zur Vorfixierung denkbar, vor dem Fügen die
Hauptlager 22 sowie die Abtriebszapfen mit zentrischen Bohrun
gen zu versehen. Zur Vorfixierung kann nach dem dritten Fü
geschritt ein in die Bohrungen hineingeschobener oder hinein
gepreßter Dorn die verspannten Kurbelwellensegmente in den Boh
rungen entlang der Achse 17 aufnehmen. Der Dorn läßt sich
einstückig nach dem Zusammenbau aller Kurbelsegmente durch de
ren fluchtende Bohrungen hindurchstecken. Ebenfalls ist es
denkbar, den Dorn in vorteilhafter Weise als Spreizdorn auszu
führen, der jeweils zwei benachbarte Kurbelwellensegmente mit
einander radial festsetzt, wobei der Dorn eine Klemmkraft auf
die Welle-Nabe-Verbindung ausübt, die für eine besonders siche
re Haltbarkeit der Vorfixierung geeignet ist. Der Dorn muß je
doch nach dem abschließenden Fügeschritt wieder entfernt wer
den.
Lediglich in einer dritten Ausführungsvariante muß der Reib
schluss so sicher sein, daß Betriebskräfte entgegen dem dritten
Fügeschritt aufgenommen werden können. Typische Steigungen der
Leitlinien 15 liegen im Bereich von 1 : 50 bis 1 : 5. Typische Ke
gelbasisöffnungswinkel β0 (Fig. 10) liegen im Bereich von 1°
bis 10°. Sinngemäß werden die Fügeschritte eins bis drei ent
sprechend der Anzahl an Fügestellen (Zylinderanzahl des Motors)
wiederholt.
Der Montagevorgang wird erst nach dem folgenden vierten und
letzten Montageschritt abgeschlossen, der für alle Fügestellen
einer Kurbelwelle durch den Einbau der Kurbelwelle in den Motor
erfolgt. Nach der sukzessiven Aneinanderfügung der für die ge
samte Kurbelwelle benötigten Kurbelwangen 1, 5 werden die Kur
belwelle an den mit den Kurbelwangen 1, 5 verbundenen Hauptla
gern 22 im Motor gelagert und die vorfixierten Kurbelwangen 1, 5
dabei endfixiert. Die Fixierung der Kurbelwelle an den Hauptla
gern 22 im Zylinderkurbelgehäuse erfolgt in bekannter Weise
mittels geteilter Kurbelwellenlagerdeckel, die gegen das Zylin
derkurbelgehäuse verschraubt werden. Sie ersetzt den entgegen
der Drehrichtung des dritten Fügeschrittes gegebenenfalls vor
handenen, radialen Reibschluss durch einen Formschluss. Die
Einbaulage der Kurbelwelle wirkt wie eine Verdrehsicherung ge
gen ungewolltes Lösen der Kurbelwellensegmente. Ein Lösen der
jeweiligen Fügestelle ist nur durch eine, der Fügedrehung ent
gegengerichtete, relative Verdrehung der Fügepartner 1 und 5
(bzw. 1 und 14) um die zentrale Achse der Fügeverbindung 7
(Hubzapfenachse) möglich. Im fertig eingebauten Zustand hat die
gefügte Kurbelwelle jedoch nur den einen Freiheitsgrad, sich um
die Mittenachse 17 der Abtriebszapfen samt Hauptlager 22 zu
drehen. Aufgrund des Achsenversatzes zwischen Hubzapfenachse 7
und Kurbelwellendrehachse 17 ist die dem dritten Fügeschritt
entgegengerichtete Lösebewegung nicht mehr möglich. Die Füge
partner 1 und 5 (bzw. 1 und 14) sind in allen Richtungen form
schlüssig fixiert. Durch die Lagerung in den Hauptlagern 22 er
fährt die Kurbelwelle im fertigen Einbauzustand im Motor ihre
Endfestigkeit. Ein Lösen der Verbindung, wie es bspw. im Falle
einer Reparatur bzw. Austauschs des Pleuellagers 18 erforder
lich sein kann, ist nur durch Umkehrung der Montagefüge
schrittefolge möglich.
Alle bekannten Fügeverfahren zum Aufbau einer Kurbelwelle aus
Einzelsegmenten geben der Kurbelwelle die erforderliche Endfes
tigkeit vor dem Einbau in den Motor. Die Fixierung der Kurbel
welle im Motor stellt bezüglich der Freiheitsgrade der Fü
gestellen eine statische Überbestimmung dar. Dagegen tragen in
vorliegender Erfindung die Hauptlagerfixierungen der Kurbelwel
le im Kurbelgehäuse wesentlich zur Bauteilfestigkeit bei, da
ein radialer Reibschluß keine Voraussetzung für den Zusammenbau
der Kurbelwelle darstellt.
Die bevorzugte Ausführung der Fügeflächenform der Aufnahmeöff
nung 2 und des Zapfens 3 beschränkt sich auf jeweils ein einzi
ges logarithmisches Spiralensegment. Prinzipiell können zur Lö
sung des Fügeproblems auch Leitlinien 15 gewählt werden, die
jeweils aus mehreren Abschnitten verschiedener logarithmischer
Spiralen bestehen wie beispielsweise das aus dem Stand der
Technik bekannte mehrendige Bogenkeilprofil. Aufgrund der Mehr
zahl an Keilen multiplizieren sich jedoch die nicht kontaktie
renden Oberflächenzonen (ϕB + ϕF + ϕL) mit dem Faktor, der der
Keilanzahl entspricht. Der Fugendruck verteilt sich auf eine
wesentlich kleinere Kontaktfläche. Um die zulässige Beanspru
chung nicht zu überschreiten, kann die Fügeverbindung nicht so
stark wie bei der bevorzugten einzähligen Lösung beansprucht
werden. Ein anderer Effekt ist, daß ein Bogenkeil des mehr
endigen Bogenkeilprofils erheblich kürzer ist als bei einer
einzähligen Lösung. Dadurch ist die radiale Profilausdehnung
relativ gering. Es besteht daher die Gefahr, dass während der
Ausführung des dritten Fügeschrittes der Zapfen 3 in der Öff
nung 2 "durchrutscht". Es können elastische Verformungen hierzu
auftreten, die den in Fügedrehrichtung herrschenden Formschluss
überwinden und das Durchrutschen verursachen. Dadurch bezieht
sich auch die vorliegende Erfindung nicht auf eine Mehrzahl an
keilförmigen Erhebungen, sondern auf die Einzahl einer einzigen
keilförmigen Erhebung am Zapfenumfang.
Bis hierher bezieht sich die vorliegende Beschreibung auf eine
Öffnung 2 in Bauteil 1 und auf einen Zapfen 3, welche im Längs
schnitt beispielsweise nach Fig. 1 gesehen den Längsschnitt der
Form eines Kegelstumpfes eines geraden Kegels besitzen. Die
entsprechende Kegelfläche 6 wird von Erzeugenden aufgespannt,
die einerseits durch die mit S bezeichnete Kegelspitze 8 und
andererseits durch die Leitlinie 15 hindurchgehen (Fig. 1, 6, 7
und 10). SN bedeutet die Spitze des Nabenkonus, also des Kegels
der Aufnahmeöffnung 2, während SZ die Spitze des Zapfenkonus
bezeichnet. Die Konen der Aufnahmeöffnung 2 und des Zapfens 3
sollten so gefertigt sein, daß beide die gleiche Länge k auf
weisen. Eine vorteilhafte Variante hierzu bietet die quasikege
lige Ausbildung des Zapfens 3 und/oder der Aufnahmeöffnung 2.
Die quasikegelige Fügefläche 6 wird von Erzeugenden aufge
spannt, die die zentrale Achse 7 unter einem konstanten Winkel
β schneiden und durch die Leitlinie 15 hindurchgehen (Fig. 11,
12 und 13). Demnach besitzt eine quasikegelige Fläche keine Ke
gelspitze 8. Die allgemeine erfinderische Idee umfaßt sowohl
kegelige als auch quasikegelige Fügeflächen. Diese Unterschei
dung ist für die fertigungstechnische Formgebung der Fügepart
ner von besonderer Bedeutung. In ihrer Funktionalität sind bei
de Gestaltungsarten zwar nahezu gleichwertig. Der große Vorteil
der kegeligen Ausführung eines Kegelstumpfes eines geraden Ke
gels liegt darin, daß trotz eventueller fertigungsbedingter Ab
solutmaßabweichungen sich in jedem Fall eine flächenhafte Kon
taktzone zwischen dem Bauteil 1 und dem Zapfen 3 (Fig. 1) beim
dritten Fügeschritt einstellt. Dagegen kann u. U. bei großen Ke
gelöffnungswinkeln β und größeren fertigungsbedingten Absolut
maßabweichungen eine quasikegelige Fügefläche beim dritten Fü
geschritt in der anfänglich erreichten radialkraftfreien Anlage
nur punktuell kontaktieren. Der dritte Fügeschritt führt jedoch
in seiner weitergehenden Ausführung aufgrund der dann erzeugten
Radialkraft zu elastischen Verformungen der Öffnung 2 und des
Zapfens 3, sodaß auch absolutmaßabweichungsbehaftete quasikegelige
Fügezonen flächig in Kontakt zueinander gelangen. Die oben
beschriebenen vier Fügeschritte gelten uneingeschränkt auch für
quasikegelige Öffnungen 2 in Verbindung mit quasikegeligen Zap
fen 3. Sinngemäß sind hier jedoch Fig. 1 durch Fig. 11, Fig. 6
durch Fig. 12 sowie Fig. 7 durch Fig. 13 zu ersetzen.
Die kegelige Öffnung 2 sowie der kegelige Zapfen 3 sind durch
verschiedene bekannte Fertigungsverfahren herstellbar. Ein prä
destiniertes Fertigungsverfahren ist das Fräsen mit dem zylind
rischen Schaftfräser. Je nach Anordnung der Maschinenachsen
sind drei bzw. vier simultane NC-Achsen erforderlich. Hinzu
kommen mindestens zwei Hilfsachsen. Der maschinentechnische
Aufwand läßt sich um mindestens eine interpolierende NC-Achse
reduzieren, wenn die Öffnung 2 sowie der Zapfen 3 nicht exakt
kegelig, sondern quasikegelig ausgeführt werden. Die Steuerung
des Fräswerkzeuges kann auf eine ebene zweidimensionale Bewe
gung reduziert werden. In den Betrachtungsebenen der Fig. 3 und
Fig. 4 wird dann der Freilauf 12 bzw. 13 des Fräswerkzeuges zur
exakten Ellipse. Der Freilauf 12 bzw. 13 erscheint in der Be
trachtungsebene als exakter Kreis, wenn ein kegeliges Fräswerk
zeug für die Bearbeitung gewählt wird. Der Öffnungswinkel α
dieses Kegels muß dabei mit dem des Zapfens 3 übereinstimmen.
Eine quasikegelige Ausführung der Fügeflächen ist aus ferti
gungstechnischer Sicht gegenüber der kegeligen Ausführung von
Vorteil.
Die unsymmetrische Form der Fügezone (Fig. 9) hat zur Folge,
dass die Vorspannkräfte, die sich durch den dritten Fügeschritt
einstellen, unsymmetrische Deformationen an den Fügepartnern 1
und 3 (bzw. 3 und 14) verursachen können. Die Deformationen
können zu einem unerwünschten Versatz und zu einer Paralleli
tätsabweichung der Hublagermittenachse (bzw. der zentralen Ach
se 7 der Verbindung) gegenüber der Kurbelwellenachse 17 führen.
Hier bieten sich verschiedene Maßnahmen zur Abhilfe an. Eine
Möglichkeit ist, durch FEM-Rechnung oder durch experimentelle
Ermittlung an Prototyp-Fügestellen die Abweichungen quantitativ
zu ermitteln. Durch maßgeometrischen Gegenhalt der zu erwartenden
Deformationen können in der Serienfertigung die Auswirkun
gen kompensiert werden. Eine andere Möglichkeit ist, an der
Öffnung 2 oder am Umfang des Zapfens 3 nicht kontaktierende
Entlastungszonen vorzusehen. Näherungsweise gegenüber der nicht
kontaktierenden Spiralenübergangszone (bzw. der Fügespie
lausgleichszone) kann bspw. am Zapfen 3 eine Abflachung 23
(Fig. 19) bzw. in Öffnung 2 eine Rille 24 (Fig. 25) eingearbei
tet sein. Die Feststellung der genauen Lage sowie der optimalen
Ausdehnung der Entlastungszone kann wiederum rechnerisch oder
experimentell erfolgen.
Damit alle Segmente der aus Einzelteilen aufgebauten Kurbelwel
le exakt fluchten, d. h. dass die Zentren aller Hauptlager 22
der Kurbelwelle exakt auf Achse 17 zu liegen kommen, müssen
fertigungsbedingte Abweichungen an Öffnung 2 und am Zapfen 3
ausgeglichen werden. Als besonders kritisch sind hier Abwei
chungen im Absolutmaß, in der Streuung des Spaltmaßes 16 nach
dem zweiten Fügeschritt, zu sehen. Als günstige Abhilfe bietet
sich an, die Kurbelwelle vor dem Einbau in den Motor zu rich
ten. Das Richten muß dabei auch ein radiales Ausrichten der
Kurbelwellensegmente umfassen. Die dabei auftretenden plasti
schen Verformungen in den Fügestellen können in Kauf genommen
werden, sofern sich nicht in unzulässiger Weise die Vorspannun
gen abbauen. Eine sorgfältige Abstimmung der Werkstoffeigen
schaften, insbesondere der Zähigkeit, mit den geometriebestim
menden Parametern der jeweiligen Fügestelle ist erforderlich.
Die erfindungsgemäße Fügefläche besteht aus vier Teilflächen,
wobei jeweils zwei Teilflächen kontaktieren. Die erste Teilflä
che ist die innere Oberfläche der kegeligen Öffnung 2. Sie be
steht aus der Menge von Punkten P, die folgender Bedingung ge
nügen:
rp,N = (R0 + zp.tanβ0).e;
Die zweite Teilfläche, die im dritten Fügeschritt in Kontakt
zur ersten Teilfläche gelangt, ist die äußere Oberfläche des
kegeligen Zapfens 3 (Fig. 1 und Fig. 10):
rp,Z = (R0 + (zp - LZ).tanβ0).e
Darin ist rp der kürzeste radiale Abstand des Punktes P von der
Mittenachse 7 (gemessen im Abstand zp von der Ebene 28 (rP,N)
bzw. Ebene 4 (rP,Z), die die jeweilige Leitlinie 15 enthält). ϕP
bzw. ist der zugehörige Polarwinkel des Punktes P im Achs
normalschnitt (in o. a. Beziehungen ist ϕP im Bogenmaß ein
zusetzen). Der Polarwinkel kann im Bereich ϕB < ϕp < 360° liegen.
R0 ist der kleinste Profilradius der Leitlinie 15 (Grundkreis
radius bei ϕ = 0°) der Öffnung 2 in Ebene 28. Nach der Erfindung
ist jedes Querschnittsprofil der Öffnung 2 sowie des Zapfens 3
der Abschnitt einer logarithmischen Spirale mit der Steigung
tanα. Demnach ist der Radius R0 gleichzeitig auch der kleinste
Profilradius im Querschnitt 11 des Zapfens 3. β0 ist der Ba
sisneigungswinkel des Kegels 6; β0 ist der kleinste Winkel,
den die Kegelerzeugende bei ϕp = 0° mit der Achse 7 des Kegels 6
einschließt. Punkte der Öffnung 2 können im Abstand 0 ≦ zp < LN (LN
= Nabenbreite) von der Ebene 28 entfernt liegen. Für Punkte des
Zapfens 3 gilt der Abstandsbereich 0 ≦ zp ≦ LZ (LZ = Zapfenbreite)
zur Ebene 4. Der Steigungswinkel α bzw. die Steigung tanα der
logarithmischen Spirale ist in jedem Punkt der Öffnung 2 und
des Zapfens 3 im angegebenen Winkelintervall ϕp und Abstands
intervall zp gleich groß (α = const.). Die dritte und vierte Füge
teilfläche sind die ebene Fläche 4 und die ebene Fläche des
Öffnungsrandes 10. Die Mittenachse 7 steht auf beide Ebenen (4
und 28) senkrecht. Die dritte und vierte Fügeteilfläche kommen
durch den Fügevorgang im zweiten Fügeschritt in direkten Kon
takt zueinander.
Im Falle der quasikegeligen Ausführung (Fig. 11 bis Fig. 13)
wird die Öffnung 2 durch folgende Punktmenge gebildet:
rp,N = R0.e + zp.tanβ
Für den quasikegeligen Zapfen 3 gilt:
rp,Z = (R0 - LZ.tanβ).e + zp.tanβ
Hierin ist β der kleinste Winkel, den jede Erzeugende 27 mit
der Achse 7 einschließt (β = β0 = const.; Fig. 13). Bei der quasi
kegeligen Ausführung sind lediglich die Leitlinien 15 exakte
logarithmische Spiralenabschnitte. Alle Querschnittsprofile,
die nicht in die Ebenen 28 bzw. 4 fallen, sind hierzu Parallel
linien.
Zwecks Übersichtlichkeit wird in den Fig. 14 bis 25 auf die
Darstellung einiger charakteristischer Merkmale von Kurbelwel
len verzichtet. Es fehlen Details, die zur Erklärung der erfin
dungsgemäßen Lösung irrelevant sind. So fehlen beispielsweise
das jeweilige Gegengewicht an der Kurbelwange zum Massenaus
gleich und die Schmierölbohrungen.
Fig. 14 bis Fig. 19 zeigen eine Hauptausführungsvariante des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Hubzapfen 14 ist stoffschlüs
sig mit der linken Kurbelwange 1 und dem daran anschließenden
Hauptlager 22 verbunden und kann dabei aus dem Vollmaterial
herausgebildet oder angeformt sein. Die axiale Öffnung 2 ver
läuft innerhalb des Hubzapfens 14 und der Kurbelwange 1, wobei
der Hubzapfen 14 einen Teilabschnitt der in der Kurbelwange 1
ausgebildeten parallel zur Längserstreckung der Kurbelwelle
verlaufenden Aufnahmeöffnung 2 aufweist. Die Öffnung 2 kann
darstellungsgemäß durchgehend oder - nicht dargestellt - als
Sackloch ausgeführt sein. Die Pleuelstange 19 mit dem fest ver
bundenen Pleuellager 18 ist bereits drehbar auf dem Hubzapfen
14 montiert. Die rechte aufnahmeöffnungfreie Kurbelwange 5 ist
drehlagengerecht positioniert. Mit ihr ist der zapfenförmige
Vorsprung 3 an der einen Stirnseite 30 und ein anderes Hauptla
ger 22 an der anderen Stirnseite 31 stoffschlüssig verbunden.
Nach dem zweiten Fügeschritt (Fig. 15) stellt sich zwischen der
linken Kurbelwange 1 (mit stoffschlüssig angeformten Hubzapfen
14) und dem Zapfen 3 der radiale Spalt 16 ein. Die ebenen Fü
geflächen 10 des Hubzapfens 14 und der rechten Kurbelwange 5,
Ebene 4, liegen aneinander an. Der nachfolgende dritte Fü
geschritt bringt die rechte Kurbelwange 5 mit der linken Kur
belwange 1 exakt zur Deckung. Die Spiralenübergangszone in Öff
nung 2 ist hier beispielhaft so ausgebildet, wie sie sich durch
das bekannte Fräsen kostengünstig herstellen läßt. Dagegen hat
der Zapfen 3 ein Profil in der Spiralenübergangszone, das sich
mit einem CNC-Unrunddrehen kostengünstig einstellt. Zudem hat
der Zapfen 3 eine Abflachung 23, die zur Zentrierung unter Ein
wirkung des sich im dritten Fügeschritt einstellenden radialen
Fugendruckes dient (Fig. 18, Fig. 19). In Fig. 17 ist eine Un
tervariante der beschriebenen ersten Hauptausführungsvariante
nach dem zweiten Fügeschritt dargestellt. Sie unterscheidet von
Fig. 15 dadurch, dass der Hubzapfen 14 stoffschlüssig mit dem
Zapfen 3 und der rechten Kurbelwange 5 verbunden ist. Die bei
den Fig. 18 und 19 verdeutlichen, dass der Zapfen 3 über
weite Oberflächenbereiche mit der linken Kurbelwange 1 (und dem
stoffschlüssig angeformten Hubzapfen 14) flächig kontaktiert.
Nach dem letzten Fügeschritt, dem Einbau der Kurbelwelle in den
Motor, verhindert der Abstand zwischen den Drehachsen 7 und 17
durch Hebelwirkung, dass sich die Fügeverbindung selbsttätig
löst (Fig. 19). Die Fixierung um die Lager 22 ist somit gleich
zeitig eine Verdrehsicherung gegen eine Löse-Drehbewegung um
Achse 7.
In den Fig. 20 und 21 ist eine weitere Hauptausführungsvariante
dargestellt. Der Unterschied zur vorhergehenden Ausführungsva
riante besteht darin, dass der Hubzapfen 14 als eigenständiges,
separates Bauteil ausgebildet ist und an seinen beiden Stirn
seiten 21 jeweils einen Zapfen 3 zum Fügen an die Kurbelwangen
1 bzw. 5 aufweist. Die Leitlinien 15 der Öffnung 2 in Bauteil 1
und die Leitlinie 15 der Öffnung 2 in Bauteil 5 haben unter
schiedliche Windungsorientierungsrichtungen (Linksgängigkeit
bzw. Rechtsgängigkeit). Die beiden Öffnungen 2 liegen einander
spiegelbildlich gegenüber, wobei die Symmetrieachse die gedach
te zugehörige Kolbenlaufrichtungsachse/Zylinderachse des Mo
tors ist. Demnach haben auch die beiden Zapfen 3 des Hubzapfens
14 in Querschnittsprofilen gleicher Blickrichtung gegenläufige
Spiralenwindungsorientierungsrichtungen zu einander.
Der Ablauf des Zusammensetzens zweier Kurbelwellensegmente ist
folgender: Die einteilige Pleuelstange 19 mit Lager 18 wird auf
den Hubzapfen 14 geschoben. Zu beiden Seiten des Hubzapfens 14
wird die jeweilige Kurbelwange 1 bzw. 5 auf den jeweils zuge
ordneten Zapfen 3 aufgeschoben. Dabei haben die Kurbelwangen 1
und 5 einen relativen Drehversatz in zweifacher Höhe des Fü
gespielausgleichswinkels ϕF zuzüglich des Lastwinkels ϕL zu
einander (Fig. 20). Nun werden die Kurbelwangen zueinander ver
dreht, bis die beiden Hauptlager 22 zu Überdeckung kommen und
die Hauptlagermittelpunkte auf 17 liegen (Fig. 21). Während
dieser Drehbewegung braucht der Hubzapfen 14 nicht sonderlich
fixiert oder abgestützt werden. Durch die Hauptlagerfixierung
in der Einbaulage der Kurbelwelle im Motor wird ein Lösen der
Fügeverbindungen als Folge einwirkender Betriebskräfte verhin
dert.
In einer nicht dargestellten, funktional gleichwertigen Unter
variante der letzt genannten Hauptausführungsvariante sind die
Zapfen 3 nicht mit dem Hubzapfen 14 stoffschlüssig verbunden,
sondern mit der Kurbelwange 1 bzw. 5 stoffschlüssig verbunden.
Dafür sind die kegeligen Öffnungen 2 nicht an den Kurbelwangen
1 und 5, sondern an beiden Seiten innerhalb des Hubzapfens 14
einander spiegelbildlich gegenüberliegend mit unterschiedlichen
Windungsorientierungsrichtungen angeordnet.
Auf eine dritte, der zweiten ähnliche Hauptausführungsvariante
beziehen sich die Fig. 22 bis 25. Fig. 22 und 23 zeigen den
Hubzapfen 14 mit den Kurbelwangen 1 und 5 in Stecklage. Der
Hubzapfen 14 ist ein separates Bauteil; zu seinen beiden Enden
hin öffnen sich wiederum die kegeligen Zapfen 3. Abweichend von
der letzten Variante haben die Leitlinien 15 der kegeligen Öff
nung 2 in Kurbelwange 1 und die Leitlinie 15 der kegeligen Öff
nung 2 in Bauteil 5 die gleiche Spiralenwindungsorientierung.
Demnach haben auch die an beiden Enden des Hubzapfens 14 ange
ordneten Zapfen 3 die gleiche Spiralenwindungsorientierung. Es
ergibt sich daher gegenüber voriger Ausführungsvariante ein Un
terschied im Fügeablauf.
Nachdem die Pleuelstange 19 samt Pleuellager 18 auf den Hubzap
fen gesetzt wurde, erfolgt im ersten Fügeschritt die Drehposi
tionierung der Bauteile. Die vorliegende Ausführungsvariante
erfordert, dass die Kurbelwangen 1 und 5 die gleiche Drehlage
bzgl. der Hubzapfenachse 7 haben. Somit befinden sich in Fig.
23, der Seitenansicht nach dem zweiten Fügeschritt, beide
Hauptlager 22 in Überdeckung und haben die gemeinsame Mitten
achse 17. Der nachfolgende Fügeschritt drei erfolgt für beide
Kurbelwangen 1 und 5 gleichzeitig, indem der Hubzapfen 14 ent
gegen der Windungsorientierungsrichtung der Leitlinien 15 in
Pfeilrichtung 26 gedreht wird. Dazu hat zumindest ein Zapfen 3
an seiner Stirnseite 32 eine unrunde Öffnung 25 zur Aufnahme
eines schlüsselartigen Montagewerkzeuges (z. B. Innensechskant).
Bei fester Halterung der beiden Kurbelwangen 1 und 5 wird mit
tels des Werkzeuges der Hubzapfen 14 verdreht, wodurch die drei
Bauteile miteinander verspannt werden. Fig. 24 und 25 zeigen
die Position der Fügepartner nach Erreichen ihrer kraftschlüs
sigen Verbindung. Die Parameter der Fügeflächen müssen hier so
gewählt sein, daß durch Selbsthemmung infolge der Reibungsver
hältnisse die unter Betriebslast auftretenden verbindungslösen
den Umfangskräfte und Schwingungen am Hubzapfen 14 sicher auf
gefangen werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Welle-Nabe-
Verbindungen ist die primäre Beanspruchungsart des Hubzapfens
14 nicht die Torsion, da die Achse des Hubzapfens 14 außerhalb
der Drehachse der Kurbelwelle liegt, so daß die Lösungstendenz
der erwirkten Verbindung nicht übermäßig stark ist. Zudem kann
die Windungsorientierungsrichtung der Leitlinien 15 in Abhän
gigkeit der vorgegebenen Kurbelwellendrehrichtung so gewählt
werden, daß die im Betriebszustand auftretenden Umfangskräfte
entgegen der verbindungslösenden Drehrichtung überwiegend form
schlüssig übertragen werden. Es kann aber auch alternativ eine
Verdrehsicherung (z. B. Spannstift, Wurmschraube, Ausfüllen der
nicht kontaktierten Umfangszone(n) mit niedrigschmelzendem
Werkstoff, Klebstoff oder dgl.) zwischen dem Hubzapfen 14 und
den Kurbelwangen 1 und 5 vorgesehen werden. Die Spiralenüber
gangszonen in den Öffnungen 2 sind in Fig. 23 und Fig. 25 der
gestalt ausgebildet, wie sie sich durch das bekannte Präzisi
onsschmieden ohne weitere mechanische Nachbearbeitung kosten
günstig herstellen lassen. Dagegen hat die jeweilige Spiralen
übergangszone am Zapfen 3 in Fig. 23 und Fig. 25 die Profil
form, die sich durch das bekannte Fräsen ergibt.
Für sehr kleine Kegelöffnungswinkel α (< 3°) von Zapfen 3 und
Aufnahmeöffnung 2 ist es auch denkbar, deren Leitlinien 15 an
statt als logarithmische Spiralenabschnitte in Form von archi
medischen Spiralenabschnitten auszubilden. Dies erbringt bei
der Drehbearbeitung des Zapfens 3 und der Aufnahmeöffnung 2 da
hingehend vereinfachende Vorteile, daß nur wenige Stützpunkte
für die Profilbeschreibung, d. h. wenige Steuerbefehle für das
Drehwerkzeug erforderlich sind.
Claims (21)
1. Gebaute Kurbelwelle, welche aus einer Mehrzahl von Kurbel
wangen, an diesen angeordneten Hauptlagern und Hubzapfen sowie
auf den Hubzapfen drehbar mit einem Pleuellager befestigten
Pleuelstangen besteht, wobei die Kurbelwangen seriell mittels
Welle-Nabe-Verbindungen in Form von kegelartigen Aufnahmeöff
nungen und formnegativen, zu den zugehörigen Öffnungen hinge
wandt sich erweiternden Zapfen miteinander kraftschlüssig ver
bunden sind, welche derart aufgebaut sind, daß im Achsnormal
schnitt die Umfangslinien des Innenumfanges der Öffnungen und
des Außenumfanges der Zapfen als logarithmische Spiralenab
schnitte gebildet sind, welche in Stecklage von Zapfen und Öff
nung ineinandergreifen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Fügeflächen der Welle-Nabe-Verbindung jeweils einen einzigen logarithmischen Spiralenabschnitt besitzen,
daß in kongruenter Drehlage von Zapfen (3) und Aufnahmeöffnung (2) die Außenabmessungen des Zapfens (3) bezüglich denen der Aufnahmeöffnung (2) Untermaß besitzen,
daß sich an den Zapfen (3) auf der der Öffnung (2) abgewandten Sei te ein mit diesem wirkverbundener axialer Anschlag (4) an schließt, der sich am Öffnungsrand (10) der Aufnahmeöffnung (2) abstützt,
daß der Kraftschluß durch einen mittels einer Relativdrehbewe gung von Zapfen (3) und Öffnung (2) zueinander erwirkten axia len Formschluß gebildet ist, bei dem der Anschlag (4) am Öff nungsrand (10) der Aufnahmeöffnung (2) anliegt,
und daß die Kurbelwelle in radialer Richtung durch die aus dem Versatz der Achse (7) des Hubzapfens (14) zu der Achse (17) des Hauptlagers (22) sich ergebende Hebelwirkung in Einbaulage im Motor unverrückbar fixiert ist.
daß die Fügeflächen der Welle-Nabe-Verbindung jeweils einen einzigen logarithmischen Spiralenabschnitt besitzen,
daß in kongruenter Drehlage von Zapfen (3) und Aufnahmeöffnung (2) die Außenabmessungen des Zapfens (3) bezüglich denen der Aufnahmeöffnung (2) Untermaß besitzen,
daß sich an den Zapfen (3) auf der der Öffnung (2) abgewandten Sei te ein mit diesem wirkverbundener axialer Anschlag (4) an schließt, der sich am Öffnungsrand (10) der Aufnahmeöffnung (2) abstützt,
daß der Kraftschluß durch einen mittels einer Relativdrehbewe gung von Zapfen (3) und Öffnung (2) zueinander erwirkten axia len Formschluß gebildet ist, bei dem der Anschlag (4) am Öff nungsrand (10) der Aufnahmeöffnung (2) anliegt,
und daß die Kurbelwelle in radialer Richtung durch die aus dem Versatz der Achse (7) des Hubzapfens (14) zu der Achse (17) des Hauptlagers (22) sich ergebende Hebelwirkung in Einbaulage im Motor unverrückbar fixiert ist.
2. Kurbelwelle nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kraftschluß zusätzlich durch einen Reibschluß zwischen
der Aufnahmeöffnung (2) und dem Zapfen (3) mittels der Relativ
drehbewegung gebildet ist.
3. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Längsschnitt die Form des Zapfens (3) und der zugehöri
gen Aufnahmeöffnung (2) der Form des Längsschnitts des Stumpfes
eines geraden Kegels entspricht.
4. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Form des Zapfens (3) und der zugehörigen Aufnahmeöff
nung (2) quasikegelig ist, wobei die Fügefläche von Erzeugenden
aufgespannt ist, die die zentrale Achse (7) der Fügeverbindung
unter einem konstanten Winkel β schneiden.
5. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Aufnahmeöffnung (2) an ihrem Innenumfang oder der Zap
fen (3) an seinem Außenumfang zumindest eine Entlastungszone
(23, 24) aufweist, die unsymmetrische Deformationen der Füge
partner beim Fügen ausgleicht.
6. Kurbelwelle nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Entlastungszone durch eine Abflachung (23) des Zapfens
(3) gebildet ist.
7. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Entlastungszone durch eine in den Innenumfang der Auf
nahmeöffnung (2) eingearbeitete Rille (24) gebildet ist.
8. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Fügepartner (2, 3) einen maßgeometrischen Gegenhalt zu
den Deformationen aufweisen.
9. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der axiale Anschlag (4) flächig ist und mit dem Zapfen (3)
stoffschlüssig verbunden ist, wobei der Anschlag (4) im
Anschluß an das verjüngte Ende (29) des Zapfens (3) absatzartig
mit zum Öffnungsrand (10) der Aufnahmeöffnung (2) parallel ver
laufender Anschlagfläche ausgebildet ist.
10. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Hubzapfen (14) an der Kurbelwange (1) angeformt ist und
einen Teilabschnitt der in der Kurbelwange (1) ausgebildeten
parallel zur Längserstreckung der Kurbelwelle verlaufenden Auf
nahmeöffnung (2) aufweist.
11. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der für die Welle-Nabe-Verbindung dienende Zapfen (3) an
der Stirnseite (30) einer aufnahmeöffnungfreien Kurbelwange (5)
ausgebildet ist.
12. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Hubzapfen (14) ein separates Bauteil der Kurbelwelle
ist, welches an beiden Stirnseiten (21) jeweils einen Zapfen
(3) der Welle-Nabe-Verbindung trägt.
13. Kurbelwelle nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Zapfen (3) am Außenumfang Spiralenabschnitte mit
zueinander gegenläufigen Spiralwindungsorientierungsrichtungen
aufweisen.
14. Kurbelwelle nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Zapfen (3) am Außenumfang Spiralenabschnitte mit
Spiralwindungen gleicher Orientierungsrichtung aufweisen.
15. Kurbelwelle nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest einer der beiden Zapfen (3) an seiner Stirnseite
(32) eine unrunde Montageöffnung (25) aufweist, in der ein Mon
tagewerkzeug formschlüssig aufnehmbar ist.
16. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Leitlinien (15) der Fügeflächen der Welle-Nabe-
Verbindung anstatt als logarithmische Spiralenabschnitte in
Form von archimedischen Spiralenabschnitten ausgebildet sind.
17. Verfahren zur Herstellung von gebauten Kurbelwellen, wobei
eine Pleuelstange auf einen Hubzapfen einer Kurbelwange der
Kurbelwelle aufgeschoben und dort drehbar befestigt wird, wo
nach eine benachbarte Kurbelwange mit der schon mit der Pleuel
stange versehenen Kurbelwange durch eine Welle-Nabe-Verbin
dungstechnik kraftschlüssig gefügt wird, wobei die Nabe von ke
gelartigen Aufnahmeöffnungen, deren Fügeflächen im Achsnormal
schnitt Umfangslinien in Form von zumindest näherungsweise lo
garithmischen Spiralenabschnitten besitzen, und die Welle von
formnegativen zu den zugehörigen Öffnungen hingewandt sich er
weiternden Zapfen gebildet werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Fügeflächen jeweils mit einem einzigen logarithmi schen Spiralenabschnitt ausgestaltet werden,
dass der Zapfen (3) so gefertigt wird, daß dessen Außenab messungen bezüglich denen der Aufnahmeöffnung (2) Untermaß besitzen,
daß die Kurbelwangen (1, 5) derart drehpositioniert werden, daß der jeweilige Zapfen (3) in die zugehörige Aufnahmeöff nung (2) mit geringem Spiel einschiebbar ist,
daß nach der Positionierung die jeweilige Kurbelwange (1, 5) mit ihrer Aufnahmeöffnung (2) mit dem Zapfen (3) soweit zu sammengesteckt wird, bis ein mit dem Zapfen (3) verbundener axialer Anschlag (4) am Öffnungsrand (10) der Aufnahmeöff nung (2) zur Anlage kommt,
daß danach die Aufnahmeöffnung (2) und der Zapfen (3) entge gen der Spiralwindungsorientierungsrichtung relativ zueinan der verdreht werden, bis sich der Zapfen (3) mit der die Aufnahmeöffnung (2) tragenden Kurbelwange (1) axial ver spannt und die Hauptlagerachsen (17) der einzelnen Kurbel wangen (1, 5) miteinander fluchten,
daß in der Verspannungslage die Radialrelativlage von Öff nung (2) und Zapfen (3) vorfixiert wird,
und daß nach der sukzessiven Aneinanderfügung der für die gesamte Kurbelwelle benötigten Kurbelwangen (1, 5) die Kur belwelle an den mit den Kurbelwangen (1, 5) verbundenen Hauptlagern (22) in einem Motor gelagert wird und die vorfi xierten Kurbelwangen (1, 5) dabei durch die aufgrund des Ab standes zwischen der Hubzapfenachse (7) und der Drehachse der Kurbelwelle entstehende Hebelwirkung endfixiert werden.
dass die Fügeflächen jeweils mit einem einzigen logarithmi schen Spiralenabschnitt ausgestaltet werden,
dass der Zapfen (3) so gefertigt wird, daß dessen Außenab messungen bezüglich denen der Aufnahmeöffnung (2) Untermaß besitzen,
daß die Kurbelwangen (1, 5) derart drehpositioniert werden, daß der jeweilige Zapfen (3) in die zugehörige Aufnahmeöff nung (2) mit geringem Spiel einschiebbar ist,
daß nach der Positionierung die jeweilige Kurbelwange (1, 5) mit ihrer Aufnahmeöffnung (2) mit dem Zapfen (3) soweit zu sammengesteckt wird, bis ein mit dem Zapfen (3) verbundener axialer Anschlag (4) am Öffnungsrand (10) der Aufnahmeöff nung (2) zur Anlage kommt,
daß danach die Aufnahmeöffnung (2) und der Zapfen (3) entge gen der Spiralwindungsorientierungsrichtung relativ zueinan der verdreht werden, bis sich der Zapfen (3) mit der die Aufnahmeöffnung (2) tragenden Kurbelwange (1) axial ver spannt und die Hauptlagerachsen (17) der einzelnen Kurbel wangen (1, 5) miteinander fluchten,
daß in der Verspannungslage die Radialrelativlage von Öff nung (2) und Zapfen (3) vorfixiert wird,
und daß nach der sukzessiven Aneinanderfügung der für die gesamte Kurbelwelle benötigten Kurbelwangen (1, 5) die Kur belwelle an den mit den Kurbelwangen (1, 5) verbundenen Hauptlagern (22) in einem Motor gelagert wird und die vorfi xierten Kurbelwangen (1, 5) dabei durch die aufgrund des Ab standes zwischen der Hubzapfenachse (7) und der Drehachse der Kurbelwelle entstehende Hebelwirkung endfixiert werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorfixierung der Radialrelativlage durch reibschlüssi
ges Anlegen der Fügeflächen von Aufnahmeöffnung (2) und Zapfen
(3) aneinander während deren Verdrehung erfolgt.
19. Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorfixierung der Radialrelativlage durch Spreizdorne
erfolgt, die in axiale Bohrungen der Hauptlager (22) der Kur
belwangen (1, 5) eingeschoben werden.
20. Verfahren nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spreizdorne aus den Bohrungen nach der Endfixierung
wieder herausgelöst werden.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kurbelwelle vor dem Einbau in den Motor gerichtet wird.
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Owner name: DAIMLERCHRYSLER AG, 70327 STUTTGART, DE |
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
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