DE102006043617A1

DE102006043617A1 - Kurbelwelle, Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle sowie Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle

Info

Publication number: DE102006043617A1
Application number: DE200610043617
Authority: DE
Inventors: Christoph Platz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2006-09-16
Filing date: 2006-09-16
Publication date: 2008-03-27

Abstract

Kurbelwelle für eine Sechszylinder-Reihenbrennkraftmaschine, umfassend Wellenzapfen zur Lagerung der Kurbelwelle, Kurbelzapfen zur Verbindung mit Pleueln sowie den Kurbelzapfen zugeordnete Ausgleichsmassen, wobei die Ausgleichsmassen in einer durch die Kurbelwellenlängsachse gehenden gemeinsamen Ebene angeordnet sind sowie Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle und Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle für eine Sechszylinder-Reihenbrennkraftmaschine umfassend Wellenzapfen zur Lagerung der Kurbelwelle, Kurbelzapfen zur Verbindung mit Pleueln sowie den Kurbelzapfen zugeordnete Ausgleichsmassen sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle und eine Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle.
Sechszylinder-Reihenbrennkraftmaschinen weisen üblicherweise um jeweils 120° Kurbelwinkel gedrehte Hubstellungen auf, wobei die Hubstellungen der beiden mittleren Kurbelzapfen in Bezug auf den Kurbelwinkel gleich ausgerichtet sind und ausgehend vom mittleren Wellenzapfen in Richtung der beiden Kurbelwellenenden eine symmetrische Anordnung besteht. Bei einer aufsteigenden Nummerierung der Kurbelzapfen von einem Ende der Kurbelwelle zum anderen hin liegen beispielsweise der erste und sechste Kurbelzapfen bei 120° Kurbelwinkel, der zweite und fünfte Kurbelzapfen bei 240° Kurbelwinkel und der dritte und vierte Kurbelzapfen bei 360° Kurbelwinkel.
Um die Belastung insbesondere der Wellenzapfen, an denen die Kurbelwelle im Kurbelgehäuse gelagert ist, beim Betrieb der Brennkraftmaschine gering zu halten, sind jedem Kurbelzapfen Ausgleichsmassen zugeordnet, welche die Massenkräfte der oszillierenden Kolben, der rotierenden Kurbelzapfen und der eine zusammengesetzte Bewegung ausführenden Pleuel ausgleichen.
Diese Ausgleichsmassen sind im Bereich der Kurbelwangen angeschmiedet und ausgehend von der Kurbelwellenlängsachse dem jeweiligen Kurbelzapfen gegenüberliegend angeordnet. Bei einer wie beschriebenen Anordnung der Kurbelzapfen bei 120°, 240° und 360° Kurbelwinkel liegen dann auch die Ausgleichsmassen bei 120°, 240° und 360° Kurbelwinkel. Die daraus resultierende Kurbelwellenform bedingt eine Hinterschnittproblematik aufgrund der eine Herstellung beispielsweise durch Schmieden oder Gießen in einer zweiteiligen Form nicht möglicht ist.
Daher wurden derartige Kurbelwellen bisher zunächst „eben" geschmiedet oder gegossen und danach in den Wellenzapfen um z.B. 60° oder 120° verdreht. Dieser Verfahrensschritt bei der Herstellung von Kurbelwellen wird als „Twisten" bezeichnet und erfordert innerhalb der Fertigungslinie eine gesonderte Maschine mit entsprechenden Arbeitsgängen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine eingangs genannte Kurbelwelle bereitzustellen, welche einerseits beim Betrieb der Brennkraftmaschine einen Ausgleich der bewegten Massen ermöglicht und andererseits bereits in ihrer endgültigen Form beispielsweise durch Schmieden oder Gießen in einer zweiteiligen Form herstellbar ist. Insbesondere sollen Hinterschnitte vermieden werden und es soll vermieden werden, dass die Kurbelwelle in den Wellenzapfen nach dem Urformen zusätzliches umgeformt werden muss. Außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Kurbelwelle angegeben und eine Brennkraftmaschine mit solchen Kurbelwelle bereitgestellt werden.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Kurbelwelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei erfindungsgemäß die Ausgleichsmassen in einer durch die Kurbelwellenlängsachse gehenden gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Ferner wird die Aufgabe mit einer Brennkraftmaschine mit einer derartigen Kurbelwelle nach Anspruch 6 und mit einem Verfahren gemäß Anspruch 7 zur Herstellung einer solchen Kurbelwelle gelöst, wobei die Kurbelwelle mit ihren Hubstellungen in einer teilbaren Schmiede oder Gießform hergestellt wird. Dadurch kann ein zusätzlicher Fertigungsschritt, in welchem die Kurbelwelle in den Wellenzapfen nach dem Urformen umgeformt wird, entfallen und die Herstellung schneller, günstiger und prozesssicherer bei hoher Qualität erfolgen. Insbesondere können auch Halteflächen, welche für einen Umformvorgang erforderlich wären, entfallen, sodass ein Gewichtsvorteil und damit eine Verringerung des Trägheitsmoments erreicht wird.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Vorzugsweise ist an einem mittleren Wellenzapfen ein zumindest annähernd vollständiger Massenausgleich und an den anderen Wellenzapfen ein nur teilweiser Massenausgleich vorgesehen. Damit wird insgesamt ein weiterer Gewichtsvorteil verbunden mit einer weiteren Verringerung des Trägheitsmoments erreicht. Ein Ausgleich rotierender Massen erfolgt entsprechend der jeweiligen Wellenzapfenbelastung am mittleren Wellenzapfen in größerem Maße als an den weiteren den Wellenenden näheren Wellenzapfen. Gegebenenfalls kann an den äußersten Wellenzapfen, welche die geringste Belastung aufweisen, der Massenausgleich weiter reduziert sein. Bei den Ausgleichsmassen ist jeweils ein Kompromiss zwischen erforderlichem Massenausgleich und Gesamtgewicht respektive Trägheitsmoment der Kurbelwelle zu finden.
Zweckmäßigerweise sind in der Ausgleichsebene die dem mittleren Wellenzapfen zugeordneten Ausgleichsmassen den anderen Ausgleichsmassen gegenüberliegend angeordnet und die Ausgleichsmassen ausgehend vom mittleren Wellenzapfen in Richtung beider Kurbelwellenenden symmetrisch angeordnet.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Kurbelwelle mit ihren Hubstellungen ohne spätere Verdrehung (Twisten) in einer teilbaren Schmiede oder Gießform herstellbar ist.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe erfolgt ferner mit einer Brennkraftmaschine umfassend eine erfindungsgemäße Kurbelwelle sowie mit einem Verfahren zur Herstellung einer solchen Kurbelwelle, bei dem die Kurbelwelle mit ihren Hubstellungen in einer teilbaren Schmiede oder Gießform hergestellt wird.
Nachfolgend ist ein besonders zu bevorzugendes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert, dabei zeigen schematisch und beispielhaft
1 eine Kurbelwelle für eine Sechszylinder-Reihenbrennkraftmaschine mit Wellenzapfen, Kurbelzapfen und in einer durch die Kurbelwellenlängsachse gehenden gemeinsamen Ebene liegenden Ausgleichsmassen in seitlicher Ansicht,
2 eine Kurbelwelle in gedrehter Ansicht,
3 eine Kurbelwelle in isometrischer Ansicht und
4 eine Kurbelwelle von vorne.
1 zeigt eine Kurbelwelle 100 für eine Sechszylinder-Reihenbrennkraftmaschine mit Wellenzapfen 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, Kurbelzapfen 116, 118, 120, 122, 124, 126 und in einer durch die Kurbelwellenlängsachse gehenden gemeinsamen Ebene liegenden Ausgleichsmassen 128, 130, 132, 134, 136, 138, 140, 142, 144, 146, 148 in seitlicher Ansicht, eine gedrehte Ansicht der Kurbelwelle 200 ist in 2, eine isometrische Ansicht der Kurbelwelle 300 ist in 3 und ein Ansicht der Kurbelwelle 400 von vorne ist in 4 dargestellt.
Die Kurbelwelle 100, 200, 300, 400 ist Teil einer hier nicht näher gezeigten Sechszylinder-Reihenbrennkraftmaschine und dient insbesondere zur Aufnahme und Übertragung von Pleuelstangenkräften, zur Übertragung eines Drehmoments zu einem Schwungrad bzw. Abtrieb sowie zum Antrieb für Steuerung und Hilfsantriebe. Die Kurbelwelle 100, 200, 300, 400 wird durch Gas- und Massenkräfte sowie durch Schwingungen beanspruch und muss daher eine ausreichende Biege- und Torsionsfestigkeit aufweisen, Tragfähigkeit und Schmierung der Lagerstellen gewährleisten und die Lagerreibung muss gering sein. Die Kurbelwelle 100, 200, 300, 400 weist Ausgleichsmassen 128, 130, 132, 134, 136, 138, 140, 142, 144, 146, 148, 228, 230, 232, 234, 236, 238, 240, 242, 244, 246, 248, 328, 330, 334, 336, 338, 342, 344, 346, 348, 448 auf, welche zum Ausgleich von Massenkräften der oszillierenden Kolben, der rotierenden Kurbelzapfen und der eine zusammengesetzte Bewegung ausführenden Pleuel dienen.
Die Kurbelwelle 100, 200, 300, 400 ist durch Gesenkschmieden hergestellt, indem zuerst ein Zuschnitt aus einem geeignete Material gewalzt wird, wobei das Material in Längsrichtung verteilt wird, sodass beim eigentlichen Schmieden der Gratanteil reduziert und damit ein geringerer Materialeinsatz und damit eine wirtschaftlichere Fertigung ermöglicht wird. Der gewalzte Materialzuschnitt wird nachfolgend zuerst in einer Vorgravur und folgend in einer Fertiggravur geschmiedet, danach wird die Kurbelwelle 100, 200, 300, 400 entgratet und kalibriert. Abschließend erfolgt eine weitere Bearbeitung, wobei Öllöcher tiefgebohrt, Lagerlaufflächen und Radien induktionsgehärtet oder gerollt werden und/oder die gesamte Kurbelwelle 100, 200, 300, 400 oder Bereiche zur Verbesserung des Verschleiß- und Ermüdungsverhaltens (gas-, plasma- oder bad-)nitriert werden. Bei der Herstellung der Kurbelwelle 100, 200, 300, 400 können einzelne Fertigungsschritte zusammengefasst, modifiziert, substituiert werden oder weitere Fertigungsschritte können hinzukommen.
Die Kurbelwelle 100, 200, 300, 400 weist ausgehend von einem Wellenende sechs hintereinander liegende Kröpfungen auf welche jeweils einen Kurbelzapfen 116, 118, 120, 122, 124, 126, 116, 218, 220, 222, 224, 226, 318, 320, 322, 324, 424, 426 zur Verbindung mit Pleueln umfassen. Dabei liegen der erste Kurbelzapfen 116, 216 und der sechste Kurbelzapfen 126, 226, 426 bei 120° Kurbelwinkel, der zweite Kurbelzapfen 118, 218, 318, 418 und der fünfte Kurbelzapfen 124, 224, 324, 424 bei 240° Kurbelwinkel und der dritte Kurbelzapfen 120, 220, 320 und der vierte Kurbelzapfen 122, 222, 322 bei 360° Kurbelwinkel.
Die Ausgleichsmasse 138, 238, 338 ist dem Wellenzapfen 102, 202, 302, die Ausgleichsmassen 136, 134, 236, 234, 336, 334 sind dem Wellenzapfen 104, 204, 304, die Ausgleichsmasse 132, 232 ist dem Wellenzapfen 106, 206, 306, die Ausgleichsmassen 128, 130, 228, 230, 328, 330 sind dem Wellenzapfen 108, 208, 308, die Ausgleichsmassen 140, 142, 240, 242, 342 sind dem Wellenzapfen 110, 210, 310, die Ausgleichsmassen 144, 146, 244, 246, 344, 346 sind dem Wellenzapfen 112, 212, 312 und die Ausgleichsmasse 148, 248, 348, 448 ist dem Wellenzapfen 114, 214, 314, 414 zugeordnet.
Mit den Ausgleichsmassen 128, 130, 228, 230, 328, 330 erfolgt am Wellenzapfen 108, 208, 308 ein zumindest annähernd vollständiger Ausgleich der Massenkräfte der oszillierenden Kolben, der rotierenden Kurbelzapfen und der eine zusammengesetzte Bewegung ausführenden Pleuel, da dieser Wellenzapfen am stärksten belastet ist. Diese Ausgleichsmassen sind daher größer, als die übrigen Ausgleichsmassen, indem sie mit zunehmendem Radius an Breite und Dicke zunehmend ausgestaltet sind. Die Ausgleichsmassen 128, 130, 228, 230, 328, 330 sind zu den Kurbelzapfen 120, 122, 220, 222, 320, 322 um 180° Kurbelwinken versetzt angeordnet, sie liegen diesen bezogen auf die Kurbelwellenachse gegenüber. Die Mittelebene der Kurbelzapfen 120, 122, 220, 222, 320, 322 und der Ausgleichsmassen 128, 130, 228, 230, 328, 330 spannen damit eine Massenausgleichsebene auf.
Auch die anderen Ausgleichsmassen 138, 136, 134, 132, 140, 142, 144, 146, 148, 238, 236, 234, 232, 240, 242, 244, 246, 248, 338, 336, 334, 332, 340, 342, 344, 346, 348, 448 liegen mit ihren Mittelebenen in dieser Massenausgleichsebene. Entsprechend eingibt sich ein radialer Versatz dieser Ausgleichsmassen zu ihren benachbarten Kurbelzapfen jeweils um 120° bzw. 240° Kurbelwinkel. Mit dieser Anordnung werden Hinterschnitte vermieden und eine Herstellung der Kurbelwelle 100, 200, 300, 400 in ihrer endgültigen Gestalt in einem zweigeteilten Formwerkzeug wird ermöglicht.
Aus Gewichts- und Trägheitsgründen wird an den anderen Wellenzapfen 102, 202, 302, 104, 204, 304, 106, 206, 306, 110, 210, 310, 112, 212, 312, 114, 214, 314, 414 von einem so weit gehenden Massenausgleich, wie bei dem mittleren Wellenzapfen 108, 208, 308 abgesehen, an diesen Wellenzapfen ist ein geringerer Ausgleich ausreichend, da diese Wellenzapfen nicht so hoch belastet sind und so das Gesamtgewicht der Kurbelwelle 100, 200, 300, 400 und damit deren Trägheitsmoment gesenkt werden kann. Die Ausgleichsmassen 138, 136, 134, 132, 140, 142, 144, 146, 148, 238, 236, 234, 232, 240, 242, 244, 246, 248, 338, 336, 334, 332, 340, 342, 344, 346, 348, 448 sind in radialer Richtung mit konstanter Breite und Dicke ausgestaltet, ihre äußeren Enden sind eben.

Claims

Kurbelwelle (100, 200, 300, 400) für eine Sechszylinder-Reihenbrennkraftmaschine umfassend Wellenzapfen (102, 202, 302, 104, 204, 304, 106, 206, 306, 108, 208, 308, 110, 210, 310, 112, 212, 312, 114, 214, 314, 414) zur Lagerung der Kurbelwelle (100, 200, 300, 400), Kurbelzapfen (116, 118, 120, 122, 124, 126, 116, 218, 220, 222, 224, 226, 318, 320, 322, 324, 424, 426) zur Verbindung mit Pleueln sowie den Kurbelzapfen zugeordnete Ausgleichsmassen (128, 130, 132, 134, 136, 138, 140, 142, 144, 146, 148, 228, 230, 232, 234, 236, 238, 240, 242, 244, 246, 248, 328, 330, 334, 336, 338, 342, 344, 346, 348, 448), dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsmassen (128, 130, 132, 134, 136, 138, 140, 142, 144, 146, 148, 228, 230, 232, 234, 236, 238, 240, 242, 244, 246, 248, 328, 330, 334, 336, 338, 342, 344, 346, 348, 448) in einer durch die Kurbelwellenlängsachse gehenden gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
Kurbelwelle (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einem mittleren Wellenzapfen (108, 208, 308) ein zumindest annähernd vollständiger Massenausgleich und an den anderen Wellenzapfen (102, 202, 302, 104, 204, 304, 106, 206, 306, 110, 210, 310, 112, 212, 312, 114, 214, 314, 414) ein nur teilweiser Massenausgleich vorgesehen ist.
Kurbelwelle (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ausgleichsebene bezogen auf die Kurbelwellenachse die dem mittleren Wellenzapfen (108, 208, 308) zugeordneten Ausgleichsmassen (128, 130, 228, 230, 328, 330) den anderen Ausgleichsmassen (138, 136, 134, 132, 140, 142, 144, 146, 148, 238, 236, 234, 232, 240, 242, 244, 246, 248, 338, 336, 334, 332, 340, 342, 344, 346, 348, 448) gegenüberliegend angeordnet sind.
Kurbelwelle (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsmassen (128, 130, 132, 134, 136, 138, 140, 142, 144, 146, 148, 228, 230, 232, 234, 236, 238, 240, 242, 244, 246, 248, 328, 330, 334, 336, 338, 342, 344, 346, 348, 448) ausgehend vom mittleren Wellenzapfen in Richtung beider Kurbelwellenenden symmetrisch angeordnet sind.
Kurbelwelle (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit ihren Hubstellungen ohne spätere Verdrehung (Twisten) in einer teilbaren Schmiede oder Gießform herstellbar ist.
Brennkraftmaschine umfassend eine Kurbelwelle (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1–4.
Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (100, 200, 300, 400) mit ihren Hubstellungen in einer teilbaren Schmiede oder Gießform hergestellt wird.