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HINTERGRUND
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Gegengewicht, das für eine Kurbelwelle eines Motors vorgesehen wird, sowie eine mit dem Gegengewicht versehene Kurbelwelle.
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Wie von dem japanischen Patent Nr. JP 5 841 977 B2 beispielsweise offenbart wird, wird für eine Kurbelwelle eines Motors ein Gegengewicht vorgesehen, um eine Unwucht zu erzeugen, wodurch eine sich hin- und herbewegende Trägheitskraft aufgehoben wird.
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Druckschrift
EP 0 345 424 A1 zeigt eine Kurbelwelle mit Gegengewichten, welche mit Zusatzgewichten ausgestattet sind. Die Zusatzgewichte sind von einer Wange umgebene Kerne, welche durch einen beim Gießen der Kurbelwelle eingelassenen Hohlkörper gebildet sind, der mit einem Schwermetalleinsatz gebildet ist.
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Druckschrift
DE 197 45 586 A1 zeigt eine Kurbelwelle mit Gegengewichten, welche mit der Kurbelwelle über eine Nutverbindung verbunden sind.
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Die vorliegende Erfindung betrifft dagegen Kurbelwellen, welche zu einem einzigen Stück geschmiedet ist, welches das Gegengewicht umfasst.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Um die Kurbelwelle leicht bauend auszulegen, kann die Form des Gegengewichtes angepasst werden. Dabei kann jedoch ein Teil, der dem Gegengewicht entspricht, bei einem Schmiedeprozess der Kurbelwelle nachteiligerweise weniger gefüllt werden.
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In Anbetracht des Vorstehenden zielt die vorliegende Offenbarung darauf ab, ein Gegengewicht, das für eine leicht bauende Kurbelwelle sorgen kann und ein ausreichendes Füllen eines Gegengewichtsabschnitts in einem Schmiedeprozess der Kurbelwelle ermöglicht, sowie eine Kurbelwelle, die mit dem Gegengewicht versehen ist, bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Gegengewicht gemäß Anspruch 1 und eine Kurbelwelle gemäß Anspruch 3 gelöst.
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Das hierin offenbarte Gegengewicht bildet einen Teil einer Kurbelwelle eines Motors, wobei zu einem einzigen Stück geschmiedet ist, welches das Gegengewicht umfasst, wobei das Gegengewicht umfasst: einen Arm, der einen Wellenzapfen und einen Kurbelzapfen der Kurbelwelle verbindet; einen Hals, der sich von einer Verbindung zwischen dem Arm und dem Wellenzapfen in einer Richtung entgegen dem Kurbelzapfen in Bezug auf eine Kurbelwellenmitte erstreckt; und ein Gewicht, das an einen Abschnitt des Halses gegenüber dem Arm anschließt, wobei das Gewicht bei Betrachtung entlang der Kurbelwelle im Wesentlichen fächerförmig ist, wobei das Gewicht linke und rechte Schultern aufweist, die an den Hals anschließen, wobei jede der Schultern bei Betrachtung entlang der Kurbelwelle unter einem Winkel in Bezug auf eine horizontale Richtung orthogonal zur Kurbelwellenmitte weg von dem Hals geneigt ist, wobei der Winkel 15° oder mehr und 22,5° oder weniger beträgt.
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Wird der von der Schulter des Gegengewichtes und der horizontalen Richtung orthogonal zur Kurbelwellenmitte gebildete Winkel verkleinert, kann der Abstand von der Kurbelwellenmitte zum Schwerpunkt des Gegengewichtes vergrößert werden. So kann das Gegengewicht leicht bauend ausgelegt werden, während die für die ordnungsgemäße Funktion des Gegengewichts erforderliche Unwucht erhalten bleibt. Wird der Winkel dagegen vergrößert, wird das Gegengewicht im Schmiedeprozess ausreichender gefüllt.
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Der Winkel, der durch die Schulter des Gegengewichts und die horizontale Richtung orthogonal zur Kurbelwellenmitte gebildet wird, wird gemäß der vorliegenden Offenbarung in dem vorstehend beschriebenen Bereich eingestellt. Dadurch kann das Gegengewicht leicht bauend ausgelegt werden und das Gegengewicht kann im Schmiedeprozess ausreichend gefüllt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt, entlang der Kurbelwelle gesehen, ein Verhältnis h/R einer Breite h des Halses zu einem Radius R des Gegengewichts von der Kurbelwellenmitte 0,44 oder mehr und 0,49 oder weniger.
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In dieser Konfiguration wird das Verhältnis h/R innerhalb des vorstehend beschriebenen Bereichs eingestellt. So kann das Gegengewicht leicht bauend ausgelegt werden, während ein Gleichgewicht mit der Füllung des Gegengewichts in dem Schmiedeprozess erhalten bleibt.
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Weiterhin umfasst eine hierin offenbarte Kurbelwelle das vorstehend beschriebene Gegengewicht.
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In dieser Konfiguration kann eine leicht bauende, leistungsstarke Kurbelwelle bereitgestellt werden. Dies kann zu einer verbesserten Kraftstoffwirtschaftlichkeit und einem reduzierten Fahrzeuggewicht beitragen.
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Wie im Vorstehenden ersichtlich ist, steuert die vorliegende Offenbarung den Winkel, der durch die Schulter des Gegengewichts und die horizontale Richtung orthogonal zur Kurbelwellenmitte gebildet wird, innerhalb des vorstehend beschriebenen Bereichs. Dadurch kann das Gegengewicht leicht bauend ausgelegt werden und das Gegengewicht kann im Schmiedeprozess ausreichend gefüllt werden.
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Figurenliste
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- 1 ist eine perspektivische Ansicht einer mit einem Gegengewicht versehenen Kurbelwelle gemäß einer Ausführungsform.
- 2 ist eine Seitenansicht der Kurbelwelle von 1.
- 3 ist eine Draufsicht auf ein Formwerkzeug (Unterwerkzeug) zum Formen der Kurbelwelle von 1.
- 4 ist eine Seitenansicht des Gegengewichts gemäß der Ausführungsform.
- 5 ist eine Rückansicht des Gegengewichts von 4.
- 6 ist eine Vorderansicht des Gegengewichts von 4.
- 7 ist ein Graph, der zeigt, wie sich die Füllmenge in Abhängigkeit von einem Winkel α und einem Verhältnis h/R ändert.
- 8 ist eine Graph, der die Masse des Gegengewichts dargestellt in Bezug auf den Winkel α und das Verhältnis h/R zeigt.
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EINGEHENDE BESCHREIBUNG
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Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezug auf die Zeichnungen eingehend beschrieben. Die folgenden Ausführungsformen sind lediglich Beispiele für die Beschaffenheit und sollen nicht den Schutzumfang, die Einsatzgebiete und Nutzung der Erfindung beschränken.
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(Erste Ausführungsform)
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<Kurbelwelle>
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1 und 2 zeigen eine mit einem Gegengewicht CW8 versehene Kurbelwelle C gemäß dieser Ausführungsform.
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Die Kurbelwelle C ist für einen längs eingebauten Reihen-Vierzylinder-Benzinmotor vorgesehen. Zu beachten ist, dass das Gegengewicht CW8 dieser Ausführungsform nicht nur für den längs eingebauten Reihen-Vierzylindermotor verwendet wird, sondern auch für die Kurbelwellen verschiedener Motorentypen wie quer eingebaute Motoren, Dieselmotoren, andere Reihen-Mehrzylindermotoren, V-Mehrzylindermotoren und Einzylindermotoren verwendet werden kann.
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Die Kurbelwelle C umfasst Wellenzapfen CJ, die eine Hauptwelle derselben bilden, Kurbelzapfen CP zur Verbindung mit einer Pleuelstange (nicht gezeigt) und Gegengewichte CW mit jeweils einem Arm CA, der ein zugeordnetes Paar aus Wellenzapfen CJ und Kurbelzapfen CP miteinander verbindet. Die Mittelachse der Kurbelwelle C wird im Folgenden als „Kurbelwellenmitte CS1“ bezeichnet. Die Kurbelwellenmitte CS1 läuft durch die Mitten der Wellenzapfen CJ, wie später beschrieben wird.
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Die Kurbelwelle C weist fünf Wellenzapfen CJ, die durch fünf Buchsen eines Zylinderblocks (nicht gezeigt) schwenkbar gelagert sind, auf. Die Wellenzapfen CJ bilden eine Hauptwelle der Kurbelwelle C, deren Mitte mit der Kurbelwellenmitte CS1 der Kurbelwelle C ausgerichtet ist. Es sind vier Kurbelzapfen CP vorgesehen, die um eine vorgegebene Strecke von der Kurbelwellenmitte CS1 zu verschieben sind. Jeder Kurbelzapfen CP ist zwischen benachbarten Wellenzapfen CJ angeordnet. Die Kurbelzapfen CP sind mit einem großen Ende einer (nicht gezeigten) Pleuelstange verbunden und dienen als Ausgangspunkte einer vertikalen Bewegung von Kolben, wenn die Kurbelwelle C um die Kurbelwellenmitte CS1 dreht.
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-Richtung-
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In dieser Schrift umfasst eine „Längsrichtung“ Richtungen hin zur Vorder- und Rückseite der Kurbelwelle C, wie in 1 dargestellt. Die Begriffe „bei Betrachtung entlang der Kurbelwelle“ und „bei Betrachtung entlang der Kurbelwellenmitte CS1“ haben die gleiche Bedeutung und zeigen an, dass ein Objekt von vorne oder hinten betrachtet wird. Eine „vertikale Richtung“ ist orthogonal zur Längsrichtung, wie in 2 dargestellt, und umfasst eine Aufwärtsrichtung zum Kurbelzapfen CP und eine Abwärtsrichtung zum Wellenzapfen CJ bezogen auf das Gegengewicht CW8. Eine „horizontale Richtung“ bezieht sich auf eine Richtung orthogonal zur vertikalen Richtung von hinten gesehen, wie in 5 gezeigt.
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-Verfahren zur Kurbelwellenherstellung-
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Die Kurbelwelle C ist zu einem einzigen Stück geschmiedet, das die Wellenzapfen CJ, die Kurbelzapfen CP und die Gegengewichte CW beinhaltet. 3 zeigt ein Beispiel für ein Formwerkzeug, das für einen Schmiedeprozess genutzt wird. Ein Werkzeug M ist ein Unterwerkzeug und bildet eine Kavität M1 zum Formen der Kurbelwelle C, wenn es mit einem Oberwerkzeug (nicht gezeigt) unter Anliegen ihrer Passflächen kombiniert wird. Das Gegengewicht CW8 wird in Kavitätsabschnitten M2 bis M4 ausgebildet. Ein Hals 13 und ein Gewicht 15 des Gegengewichts CW8, die später beschrieben werden, werden in den Kavitätsabschnitten M3 bzw. M4 gebildet. Die Menge eines metallischen Materials, das den Kavitätsabschnitt M4 füllt, kann durch die Dicke des Halses 13 und den Winkel einer Verbindung zwischen dem Hals 13 und dem Gewicht 15 beeinflusst werden.
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<Gegengewicht>
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Das Gegengewicht CW8 gemäß der Ausführungsform wird nachstehend beschrieben.
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Ein Skelett der Kurbelwelle C besteht aus acht Gegengewichten CW, die sich jeweils zwischen einem benachbarten Paar aus Wellenzapfen CJ und Kurbelzapfen CP befinden. In dieser Schrift sind die acht von vorne nach hinten angeordneten Gegengewichte CW der Einfachheit halber durch die Bezugszeichen CW1 bis CW8 gekennzeichnet.
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Das Gegengewicht CW8 gemäß dieser Ausführungsform ist das hinterste Gegengewicht, das für die Rückseite der Kurbelwelle C vorgesehen ist. Das Gegengewicht CW8 gemäß dieser Ausführungsform kann an der Position eines beliebigen der Gegengewichte CW1 bis CW7 angeordnet werden, oder es können zwei oder mehr Gegengewichte CW8 für die Kurbelwelle C vorgesehen werden.
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Das Gegengewicht CW8 umfasst, wie vorstehend beschrieben, den Arm CA, den Hals 13, der sich vom Arm CA erstreckt, und das Gewicht 15, das stetig zu einem Abschnitt des Halses 13 gegenüber dem Arm CA ist.
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-Arm-
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Wie in 4 gezeigt enthält der Arm CA eine erste Anschlussfläche 11, die als Verbindung mit dem Wellenzapfen CJ dient, und eine zweite Anschlussfläche 12, die als Verbindung mit dem Kurbelzapfen CP dient.
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Betrachtet man das Gegengewicht CW8 von hinten, ist die erste Anschlussfläche 11 eine im Wesentlichen runde Fläche, wie in 5 dargestellt, und die Kurbelwellenmitte CS1 ist mit der Mitte der Fläche ausgerichtet.
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Betrachtet man das Gegengewicht CW8 von vorne, ist die zweite Anschlussfläche 12 eine im Wesentlichen runde Fläche mit einer leicht gequetschten Oberseite, wie in 6 gezeigt ist.
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Zu beachten ist, dass die ersten und zweiten Anschlussflächen 11 und 12 der Einfachheit halber beschrieben sind. Bei einem tatsächlichen Herstellungsprozess der Kurbelwelle C werden die Wellenzapfen CJ, die Kurbelzapfen CP und die Gegengewichte CW integral zu einem einzigen Stück geformt.
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-Hals-
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Wie in 4 dargestellt erstreckt sich der Hals 13 von einem Abschnitt des Arms CA benachbart zur ersten Anschlussfläche 11 nach unten, d.h. in eine dem Kurbelzapfen CP entgegengesetzte Richtung.
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Mit dem Hals 13 kann der Schwerpunkt des Gegengewichtes CW von der Kurbelwellenmitte CS1 nach unten, d.h. zum Gewicht 15, verschoben werden.
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Im Einzelnen wird, wie in 5 und 6 gezeigt, der Schwerpunkt des Gegengewichts CW8 zum Gewicht 15 verschoben und das Gegengewicht CW8 wird mit Abnahme der Breite h, also der Breite des schmalsten Abschnitts des Halses 13 in horizontaler Richtung, leicht. Auf diese Weise kann das Gegengewicht CW problemlos leicht bauend ausgelegt werden, während die für das ordnungsgemäße Funktionieren des Gegengewichts CW erforderliche Unwucht erhalten bleibt.
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-Gewicht-
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Wie in 4 bis 6 gezeigt ist das Gewicht 15 für das Aufbringen der für das Gegengewicht CW erforderliche Unwucht stetig zu einem Abschnitt des Halses 13 hin zum Wellenzapfen CJ, d.h. einem Abschnitt gegenüber dem Arm CA. Das Gewicht 15 ist im Wesentlichen fächerförmig.
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Bei Betrachtung entlang der Kurbelwellenmitte CS1, wie in 5 und 6 gezeigt, wird angenommen, dass ein Abstand von der Kurbelwellenmitte CS1 zur Unterseite des Gewichts 15 ein Gegengewichtsradius R ist, die Unterseite des Gewichts 15 einen wesentlichen Bogen mit einem Radius zeichnet, der dem Gegengewichtsradius R um die Kurbelwellenmitte CS1 entspricht. In dieser Schrift umfasst der „wesentliche Bogen“ einen Bogen als Teil eines vollkommenen Kreises und einen Bogen mit einem flachen Abschnitt. Das „im Wesentlichen fächerförmige“ Gewicht kann ein Gewicht umfassen, das einen Abschnitt mit dem wesentlichen Bogen aufweist.
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Wie in 4 gezeigt wird die Dicke des Gewichts 15 des Gegengewichts CW8 in Längsrichtung als Gewichtsdicke t bezeichnet. Wie in 5 gezeigt wird ferner ein Abstand vom untersten Punkt U1 der ersten Anschlussfläche 11 zum untersten Punkt U2 des Gewichts 15 als Gewichtshöhe T bezeichnet, und die maximale Breite des Gewichts 15 in horizontaler Richtung wird als Gewichtsbreite W bezeichnet. Nach der Bildung der Kurbelwelle C werden die Gewichtsdicke t, die Gewichtshöhe T und die Gewichtsbreite W zur Steuerung der Unwucht des Gegengewichts CW8 angepasst. Zu beachten ist, dass das Verhältnis W/R geeigneterweise 1 oder mehr und weniger als 2 beträgt, um die Unwucht des Gegengewichts CW8 zu gewährleisten.
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In dieser Ausführungsform weist das Gewicht 15 des Gegengewichtes CW8, wie in 5 und 6 dargestellt, linke und rechte Schultern 14 auf, die sich vom Hals 13 mit einer Neigung nach unten gleichmäßig nach links und rechts erstrecken.
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Im Einzelnen erstrecken sich die Schultern 14 vom Hals 13 unterhalb einer Linie L1, die eine gerade Phantomlinie ist, die den untersten Punkt U1 der ersten Anschlussfläche 11 passiert und sich in horizontaler Richtung erstreckt. Bei Betrachtung entlang der Kurbelwellenmitte CS1 ist mit anderen Worten jede von linker und rechter Schulter 14 unter einem Winkel α in Bezug auf eine horizontale Richtung orthogonal zur Kurbelwellenmitte CS1, d.h. der Linie L1, von dem Hals 13 weg geneigt.
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Der Schwerpunkt des Gegengewichtes CW8 kann weiter nach unten verschoben werden, indem der Winkel a, der durch jede Schulter 14 des Gegengewichtes CW8 und die Linie L1 gebildet wird, verringert wird. Auf diese Weise kann das Gegengewicht CW8 unter Beibehaltung der für das Gegengewicht CW8 erforderlichen Unwucht leicht bauend ausgelegt werden. Wird dagegen der Winkel α kleiner, kann die Kurbelwelle C im Schmiedeprozess weniger gefüllt werden. Deshalb wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Winkel α vergrößert, so dass die Kurbelwelle ausreichend gefüllt wird.
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Unter den Voraussetzungen, dass der Radius R des Gegengewichts CW8 81 mm beträgt und die Unwucht konstant ist, wurde eine Schmiedesimulation durchgeführt, um die Füllmenge (mm3) eines metallischen Werkstoffes zu berechnen, die je nach Verhältnis h/R und Winkel α variiert. Die Bedingungen für die Berechnung sind wie folgt. Im Einzelnen wurde ein vereinfachtes Werkzeugmodell, das nur der Form des Gegengewichtes CW8 der Kurbelwelle C entsprach, gebildet. Dann wurde die Füllmenge (mm3) des metallischen Werkstoffes pro Hub von 1 mm unter der Annahme berechnet, dass mit einer 6000-Tonnen-Schmiedepresse Kohlenstoffstahl JIS S45C von 1170°C bei einer Werkzeugtemperatur von 150°C geschmiedet wird. 7 und 8 zeigen die Ergebnisse.
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Zunächst wurde, wie in 7 dargestellt, der Winkel α auf 0°, 10°, 20° und 25° eingestellt, und das Verhältnis h/R wurde zur Berechnung der Füllmenge um 0,05 von 0,42 auf 0,67 geändert. Aus den Formen mit all diesen Winkeln wurden diejenigen mit der Füllmenge um 3577 mm3 (in 7 durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet) extrahiert (P1, P4, P7 und P8 in 7). Weiterhin wurde der Winkel α auf 15°, 17,5°, 21,5° und 22,5° eingestellt und die Formen mit dem Verhältnis h/R, bei dem die Füllmenge 3577 mm3 nahekommt, berechnet (P2, P3, P5 und P6 in 7).
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Dann wurden, wie in 8 gezeigt, die Massen (g) der Gegengewichte mit den in 7 gezeigten Formen P1 bis P8 in Bezug auf das Verhältnis h/R aufgetragen.
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Jedes Gegengewicht zeigte die gleiche Füllmenge, unabhängig von der Form, wie in 7 gezeigt, aber die Massen der Gegengewichte variierten je nach Winkel α und dem Verhältnis h/R. Die Gegengewichte CW8 mit dem Winkel α von 15° oder mehr und 22,5° oder weniger und dem Verhältnis h/R von 0,44 oder mehr und 0,49 oder weniger (P2 bis P6, in 8 gezeigt) wiesen eine Masse von 790 g oder weniger auf.
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Die in 7 und 8 gezeigten Ergebnisse zeigen, dass der von der Linie L1 und der Schulter 14 gebildete Winkel α vorzugsweise 15° oder mehr und 22,5° oder weniger, bevorzugter 16° oder mehr und 22° oder weniger, viel bevorzugter 17,5° oder mehr und 21,5° oder weniger beträgt. In diesem Bereich kann das Gegengewicht CW8 unter Beibehaltung der für das Gegengewicht CW8 erforderlichen Unwucht problemlos leicht bauend ausgelegt werden und kann im Schmiedeprozess ausreichend gefüllt werden.
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Das Verhältnis h/R des Gegengewichts CW8 dieser Ausführungsform, das das Verhältnis der Breite h des Halses 13 zum Gegengewichtsradius R ist, beträgt bei Betrachtung entlang der Kurbelwellenmitte CS1, wie in 5 und 6 dargestellt, vorzugsweise 0,44 oder mehr und 0,49 oder weniger, bevorzugter 0,45 oder mehr und 0,48 oder weniger.
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In diesem Bereich kann das Gegengewicht CW8 leicht bauend ausgelegt werden, während ein Gleichgewicht mit der Füllung des Gegengewichts in dem Schmiedevorgang erhalten bleibt.
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(Weitere Ausführungsformen)
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Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden Komponenten, die in der vorstehenden Ausführungsform beschrieben wurden, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht näher beschrieben.
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In der vorstehenden Ausführungsform wurde beschrieben, dass das Gewicht 15 des Gegengewichts CW8 im Wesentlichen fächerförmig ist. Die Form des Gewichts 15 der für die Kurbelwelle C vorgesehenen Gegengewichte CW mit Ausnahme des Gegengewichts CW8 ist jedoch nicht auf die wesentliche Fächerform beschränkt. Zum Beispiel kann, wie in 1 gezeigt, das Gewicht 15 eine geeignete Form aufweisen, einschließlich der wesentlichen Fächerform, um die Trägheitskraft an der gesamten Kurbelwelle C auszugleichen.
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GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
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Die vorliegende Offenbarung kann ein Gegengewicht, das für eine leicht bauende Kurbelwelle sorgen kann und ein ausreichendes Füllen eines Gegengewichtsabschnitts in einem Schmiedevorgang der Kurbelwelle ermöglicht, sowie eine Kurbelwelle, die mit dem Gegengewicht versehen ist, bereitzustellen. Daher ist die vorliegende Offenbarung besonders nützlich.
