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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft die Bearbeitung von Kurbelwellen und insbesondere die Bearbeitung von ovalen Kernen innerhalb geschmiedeter Kurbelwellen.
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HINTERGRUND
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Der folgende Abschnitt bietet Hintergrundinformationen zur vorliegenden Offenbarung, bei denen es sich nicht notwendigerweise um den Stand der Technik handelt.
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Eine Kurbelwelle wandelt lineare Bewegung eines Kolbens in Drehbewegung über eine Kurbelachse um, um das Drehmoment zum Antrieb eines Fahrzeugs bereitzustellen, wie beispielsweise eines Zugs, eines Boots, eines Flugzeugs oder eines Automobils, ohne darauf beschränkt zu sein. Kurbelwellen sind ein wichtiger Bestandteil eines Motors und Startpunkt für Motorausführungen. Die Kurbelwellenausführung beeinflusst die gesamte Verpackung des Motors und dadurch die Gesamtmasse des Motors. Dementsprechend reduziert die Minimierung der Größe und/oder Masse der Kurbelwelle die Größe und Masse des Motors, was einen Kompoundierungseffekt auf die Baugröße, Masse und Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs hat.
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Die Kurbelwelle beinhaltet mindestens einen gegenüber der Kurbelwellenachse versetzten Kurbelzapfen, an den ein Hubkolben über eine Pleuelstange befestigt ist. Kraft die vom Kolben über die Offset-Verbindung zur Kurbelwelle übertragen wird, erzeugt zwischen diesen Drehmoment in der Kurbelwelle, was die Kurbelwelle um die Kurbelachse dreht. Die Kurbelwelle beinhaltet weiterhin mindestens einen konzentrisch angeordneten Hauptlagerzapfen um die Kurbelachse. Die Kurbelwelle wird an einem Motorblock des Hauptlagerzapfens befestigt. Ein Lager ist über dem Hauptlagerbolzen zwischen der Kurbelwelle und dem Motorblock angeordnet.
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Die Kurbelwelle wird typischerweise durch ein Gießverfahren gebildet oder hergestellt, wie beispielsweise, jedoch nicht beschränkt auf ein Grünsandgießverfahren oder ein Schalenformgießverfahren, bei welchem Gusseisen zum Bilden der Kurbelwelle verwendet wird. Alternativ kann die Kurbelwelle aus einer Stahllegierung geschmiedet werden. Stahl ist stärker als Gusseisen und daher ein bevorzugtes Material für Kurbelwellen. Jedoch ist das Schmiedeverfahren kostspieliger als das Gießverfahren. Wie hierin dargelegt, ist es zudem oft wünschenswert, die Größe und/oder Masse der Kurbelwelle zu minimieren, um die Größe und Masse des Motors und die damit verbundene Größe und Masse des Fahrzeugs zu reduzieren und dessen Kraftstoffverbrauch zu verbessern.
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Es ist bekannt, dass zur Gewichtserleichterung der Kurbelwelle die Kurbelzapfen und Hauptlagerzapfen hohle Abschnitte aufweisen können. Das maximale Volumen der hohlen Abschnitte, und damit der Gewichtsreduzierung der Kurbelwelle, wird durch die Beanspruchungen beschränkt, denen die Kurbelwelle während des Motorbetriebs ausgesetzt ist. Anders ausgedrückt muss die Kurbelwelle eine ausreichende Dicke aufweisen, damit sie der Beanspruchung standhält. Bei traditionell gegossenen Kurbelwellen werden derartige hohle Abschnitte mit einem oder mehreren Innenkernen gebildet. Beim Schmieden einer Kurbelwelle kann es jedoch schwierig sein, derartige hohle Abschnitte zu entfernen, da die geschmiedeten Kurbelwellen bearbeitet werden müssen, um Vorteile zu erreichen, die nur durch Schmieden möglich sind.
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KURZDARSTELLUNG
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Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine vollständige Offenbarung des vollen Schutzumfangs oder aller Merkmale.
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Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Lehren ist eine geschmiedete Kurbelwellenanordnung für einen Motor und ein Verfahren zu deren Herstellung vorgesehen. Die geschmiedete Kurbelwellenanordnung beinhaltet eine geschmiedete Kurbelwelle und ein abnehmbares Gegengewicht, um den Zugang zum Kernbohren oder Fräsen eines Hohlraums innerhalb der Kurbelwelle zu ermöglichen. Die geschmiedete Kurbelwelle beinhaltet einen Bolzenlagerzapfen, einen Hauptlagerzapfen, einen ersten Kurbelarm, der den Bolzenlagerzapfen trägt, einen zweiten Kurbelarm, der den Bolzenlagerzapfen trägt und den Bolzenlagerzapfen mit dem Hauptlagerzapfen verbindet, und mindestens einen gefrästen Kurbelarmhohlraum, der in mindestens einem Abschnitt des zweiten Kurbelarms ausgebildet ist. Das abnehmbare Gegengewicht erstreckt sich radial nach außen vom ersten Kurbelarm, worin der Kurbelarmhohlraum so ausgebildet ist, dass er nur dann zu einem Kernbohrer oder Fräser zugänglich ist, wenn das abnehmbare Gegengewicht vom ersten Kurbelarm entfernt ist, und nicht für den Kernbohrer oder Fräser zugänglich ist, wenn das abnehmbare Gegengewicht mit dem ersten Kurbelarm gekoppelt ist.
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Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier dargebotenen Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen ausschließlich zur Veranschaulichung und sollen keinesfalls den Umfang der vorliegenden Offenbarung beschränken.
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Figurenliste
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Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich der Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und stellen nicht die Gesamtheit der möglichen Realisierungen dar und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht beschränken.
- 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine geschmiedete Kurbelwelle mit abnehmbaren Gegengewichten und gefrästen Hohlräumen gemäß den Prinzipien der vorliegenden Lehren veranschaulicht;
- 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, welche die geschmiedete Kurbelwelle gemäß 1 veranschaulicht;
- 3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die einen ersten Schritt der Hohlraumbildung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Lehren veranschaulicht;
- 4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die einen zweiten Schritt der Hohlraumbildung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Lehren veranschaulicht;
- 5 ist eine Querschnittsansicht, die einen Hohlraum der geschmiedeten Kurbelwelle gemäß 1 veranschaulicht;
- 6 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die einen Schritt der Hohlraumbildung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Lehren veranschaulicht;
- 7 ist eine Vorderansicht, die ein abnehmbares Gegengewicht gemäß den Prinzipien der vorliegenden Lehren veranschaulicht; und
- 8 ist eine Seitenansicht, welche das abnehmbare Gegengewicht gemäß den Prinzipien der vorliegenden Lehren veranschaulicht.
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Ähnliche Bezugszeichen geben in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen ähnliche Bauabschnitte an.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es werden nun exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
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Es werden exemplarische Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist und den Fachleuten deren Umfang vollständig vermittelt. Es sind zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie z. B. Beispiele für spezifische Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein tiefgreifendes Verständnis für die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln. Fachleute werden erkennen, dass spezifische Details möglicherweise nicht erforderlich sind, dass exemplarische Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt sein können, und dass keine der Ausführungsformen dahingehend ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung beschränkt. In manchen exemplarischen Ausführungsformen sind wohlbekannte Verfahren, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Technologien nicht ausführlich beschrieben.
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Die hier verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Die hier verwendeten Singularformen, z. B. „ein“, „der/die/das“, schließen ggf. auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst“, „beinhaltend“, „einschließlich“ und „hat“ sind nicht ausschließlich und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Funktionen, ganzheitlichen Einheiten, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Bauteile an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von weiteren Funktionen, ganzheitlichen Einheiten, Schritten, Vorgängen, Elementen, Bauteilen und/oder Gruppen hiervon aus. Die hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass die beschriebene oder dargestellte Reihenfolge unbedingt erforderlich ist, sofern dies nicht spezifisch als Reihenfolge der Ausführung angegeben ist. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können.
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Wenn Elemente oder Ebenen als „an/auf“, „in Verbindung mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer Ebene beschrieben werden, können sie entweder direkt mit anderen Elementen oder Ebenen in Verbindung stehen oder gekoppelt sein oder es können zwischenliegende Elemente oder Ebenen vorhanden sein. Wenn ein Element im Gegenzug als „direkt an/auf“, „direkt in Verbindung mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ anderen Elementen oder Ebenen beschrieben wird, sind ggf. keine zwischenliegenden Elemente oder Ebenen vorhanden. Andere Wörter, die zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu verstehen (z. B. „zwischen“ und „direkt zwischen“, „angrenzend“ und „direkt angrenzend“ etc.). Der Begriff „und/oder“ schließt alle Kombinationen der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
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Obwohl die Ausdrücke erste, zweite, dritte usw. hierin verwendet werden können, um verschiedene Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollen diese Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Ausdrücke beschränkt werden. Diese Begriffe können nur verwendet werden, um ein Element, eine Komponente, Region, Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Bereich, Schicht oder Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere Zahlenbegriffe, wenn hierin verwendet, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, durch den Kontext eindeutig angegeben. Somit könnte ein weiter unten diskutiertes erstes Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt als ein zweites Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von der Lehre der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.
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Raumbezogene Begriffe, wie „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hier zur besseren Beschreibung der Beziehung von einem Element oder einer Ausrüstung zu anderen Elementen oder Eigenschaften, wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden. Räumlich relative Begriffe können bezwecken, unterschiedliche Ausrichtungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb neben der in den Figuren dargestellten Orientierung zu umspannen. Wird beispielsweise die Vorrichtung in den Figuren umgedreht, würden Elemente, die als „unterhalb“ von oder „unter“ anderen Elementen oder Eigenschaften beschrieben werden, dann „oberhalb“ anderer Elemente oder Eigenschaften ausgerichtet sein. Daher kann der Beispielbegriff „unterhalb“ sowohl eine Orientierung von oberhalb als auch von unterhalb beinhalten. Die Vorrichtung kann anderweitig ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in andere Richtungen) und die hierin verwendeten räumlich bezogenen Schlagworte können dementsprechend interpretiert werden.
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In Bezug auf die Figuren ist eine geschmiedete Kurbelwellenanordnung 10 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Lehren mit einer vorteilhaften Konstruktion und einem Verfahren zu deren Herstellung vorgesehen. Unter besonderer Berücksichtigung der 1-8 ist eine Kurbelwellenanordnung 10 mit einer geschmiedeten Kurbelwelle 12 veranschaulicht. Die Kurbelwellenanordnung 10 kann für einen Motor konfiguriert werden, wie beispielsweise aber nicht beschränkt auf, einen Benzinmotor oder einen Dieselmotor, einen Kompressor oder eine andere ähnliche Vorrichtung. Die Kurbelwelle 12 beinhaltet eine Welle 22, die entlang einer Längsachse 24 verläuft, die eine Vielzahl von Hauptlagerzapfen 26, eine Vielzahl von Armen 27, eine Vielzahl von Bolzenlagerzapfen 28 und mindestens ein Gegengewicht 30 bestimmt.
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Die Hauptlagerzapfen 26 sind konzentrisch um die Längsachse 24 angeordnet. Jeder der Bolzenlagerzapfen 28 ist seitlich von der Längsachse 24 versetzt und wird direkt oder indirekt durch einen oder mehrere Kurbelarme 27 am Hauptlagerzapfen 26 befestigt. Jeder der Kurbelarme 27 erstreckt sich von einem der Hauptlagerzapfen 26 zu einem der Bolzenlagerzapfen 28 oder zwischen den Bolzenlagerzapfen 28 und kann Gegengewichte 30 beinhalten, oder nicht. Es ist zu verstehen, dass sich die Kurbelarme 27 in einigen Ausführungsformen zwischen benachbarten Bolzenlagerzapfen 28 erstrecken können; daher sollten die Kurbelarme 27 nicht als auf die Verlängerung nur zwischen Bolzenlagerzapfen und Hauptlagerzapfen beschränkt betrachtet werden. Jedes der Gegengewichte 30 erstreckt sich radial weg von der Längsachse 24. Jeder der Hauptlagerzapfen 26 trägt ungefähr hier ein Lager (nicht dargestellt) und stellt eine Befestigungsstelle zum Befestigen der Kurbelwelle 12 an einen Motorblock (nicht dargestellt) bereit. Jeder der Bolzenlagerzapfen 28 trägt ungefähr hier ein Lager (nicht dargestellt), an dem ein Pleuel befestigt ist (nicht dargestellt). Die Pleuelstange befestigt einen Kolben (nicht dargestellt) an der Kurbelwelle 12. Die Gegengewichte 30 gleichen die hin- und hergehende Masse der Kolben, Kolbenringe, Kolbenbolzen und Halteklammern, die Pleuelköpfe der Pleuelstangen, die rotierende Masse des Pleuelfußes der Pleuelstange und der Lager sowie die rotierende Masse der Kurbelwelle selbst (die Bolzenlagerzapfen 28 und die Kurbelarme 27) aus. Die Hauptlagerzapfen 26 befinden sich auf der Längsachse 24 und benötigen keine Gegengewichte. Die Gegengewichte 30 reduzieren die Kräfte, die auf die Hauptlagerzapfen 26 einwirken und verbessern daher die Haltbarkeit der Lager. Die Gegengewichte 30 gleichen die Drehung der Kurbelwelle 12 um die Längsachse 24 aus, um die Schwingungen darin zu reduzieren.
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Die in 1 dargestellte Ausführungsform der Kurbelwelle 12 ist für einen Reihen-Vierzylindermotor und beinhaltet vier Bolzenlagerzapfen 28, acht Kurbelarme 27, fünf Hauptlagerzapfen 26 und vier Gegengewichte 30. Es sollte jedoch klar sein, dass die Kurbelwelle 12 anders gestaltet sein kann als in 1 dargestellt. Als solches kann die Kurbelwelle 12 für jede beliebige Bauart und/oder Konfiguration des Motors ausgelegt werden, einschließlich jedoch nicht beschränkt auf einen V-Motor (z. B. einen Motor mit zwei Zylinderreihen in V-Form mit einem Abstand dazwischen) mit sechs oder acht Zylindern, oder einen Reihenmotor mit 3, 5, 6 Zylindern oder einer beliebigen anderen Anzahl Zylinder. Die Kurbelwelle kann eine V-Kurbelwelle mit gemeinsamem Bolzen sein, die zwei Stangen pro Bolzenlagerzapfen aufweist, wie beispielsweise ein V8- oder V12-Motor. Die Kurbelwelle kann eine V-Kurbelwelle mit einem „fliegenden Kurbelarm“ zwischen den beiden Stangenzapfen sein. V6-Motoren haben vier Hauptlager und zwei Stangen zwischen jedem Hauptlager. Eine 60-Grad-V6-Kurbelwelle (Neigungswinkel zwischen Zylindern) weist einen dicken fliegenden Kurbelarm zwischen den Kurbelbolzen auf, da ein 60-Grad-Bolzenabstand besteht, und eine 90-Grad-V6-Kurbelwelle weist einen dünneren fliegenden Kurbelarm auf (nur 30-Grad-Bolzenabstand in der Endansicht). Da die Kurbelarme 27 des Weiteren Strukturbauteile der Kurbelwelle 12 sind und die Gegengewichte 30 zum Reduzieren von Kräften und Schwingungen dienen, kann die Kurbelwelle 12 beliebig viele Gegengewichte 30 an den verschiedenen Kurbelarmen 27 in jeder beliebigen Konfiguration befestigt haben. So kann beispielsweise eine Vierzylinder-Reihen-Kurbelwelle sechs oder acht Gegengewichte beinhalten. Dementsprechend sind die in 1 dargestellte spezifische Kurbelwelle 12 sowie andere hierin dargestellte und beschriebene Kurbelwellen, lediglich exemplarisch und sollten nicht als Einschränkung des Umfangs der Ansprüche betrachtet werden.
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Mindestens einer der Bolzenlagerzapfen 28 beinhaltet einen Hohlraum 32 (Bolzenlagerhohlraum 32), der sich zumindest teilweise von einer ersten axialen Seite 35 zu einer zweiten axialen Seite 37 des Bolzenlagerzapfens 28 erstreckt. Mindestens einer der Hauptlagerzapfen 26 und/oder Kurbelarme 27 kann auch einen Hohlraum 33 (Kurbelarmhohlraum 33 oder Kurbelwellenhohlraum 33) beinhalten, der sich durch diesen erstreckt. Alle Hohlräume 32 in den Bolzenlagerzapfen 28 und die Hohlräume 33 in die Hauptlagerzapfen 26/Kurbelarme 27 erstrecken sich im Allgemeinen entlang der Längsachse 24, wie im Folgenden näher beschrieben, jedoch nicht unbedingt parallel zur Längsachse 24. In der dargestellten Ausführungsform ist jeder Hohlraum 32, der sich durch den jeweiligen Bolzenlagerzapfen 28 erstreckt, so ausgebildet, dass er sich vollständig durch den jeweiligen Bolzenlagerzapfen 28 erstreckt, zwischen der ersten axialen Seite 35 des jeweiligen Bolzenlagerzapfens 28 und der zweiten axialen Seite 37 des jeweiligen Bolzenlagerzapfens 28 entlang der Längsachse 24 der Kurbelwelle 12. Auf ähnliche Weise ist jeder Hohlraum 33, der sich durch den jeweiligen Hauptlagerzapfen 26/Kurbelarme 27 erstreckt, so ausgebildet, dass er sich vollständig durch den jeweiligen Hauptlagerzapfen 26/Kurbelarm 27 erstreckt, zwischen einer ersten axialen Seite 39A des jeweiligen Hauptlagerzapfens 26 und einer zweiten axialen Seite 39B des jeweiligen Hauptlagerzapfens 26/Kurbelarms 27 entlang der Längsachse 24 der Kurbelwelle 12. Die Hohlräume 32, 33 in der Kurbelwelle 12 reduzieren das Volumen des Metalls, das zum Bilden der Kurbelwelle 12 verwendet wird, und reduzieren dadurch das Gesamtgewicht der Kurbelwelle 12. Durch die Gewichtsreduzierung der Bolzenlagerzapfen 28, die seitlich versetzt von der Längsachse 24 angebracht sind, kann ferner auch die Masse der Gegengewichte 30 um einen entsprechenden Umfang reduziert werden, wodurch auch das Gesamtgewicht der Kurbelwelle 12 reduziert wird.
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In einigen Ausführungsformen, wie in 5 dargestellt, kann der Hohlraum 32 eine Querschnittsform definieren, die eine unrunden Form entlang eines Querschnitts senkrecht zur Längsachse 24 der Kurbelwelle 12 ist. Die Querschnittsform ist beispielsweise im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Oval. Es sei darauf hingewiesen, dass die Kurbelwelle 12 im Allgemeinen im Bereich angrenzend an die unteren Kehlen 54A dicker ist als im Bereich angrenzend an die oberen Kehlen 54B (3). Anders ausgedrückt ist das Oval des Hohlraums 32 näher an den oberen Kehlen 54B als an den unteren Kehlen 54A zentriert. In anderen Ausführungsformen kann die Querschnittsform des Hohlraums 32 andere nichtkreisförmige Formen beinhalten, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Wie in 5 dargestellt, kann die ovale Querschnittsform eine horizontale Hauptachse 62 und eine vertikale Nebenachse 64 beinhalten. Die Hauptachse 62 ist größer ist als die Nebenachse 64. Die Seitenabschnitte 66 des Bolzenlagerzapfens 28 außerhalb des Hohlraums 32 sind schmaler als ein unterer Abschnitt 68 und ein oberer Abschnitt 71. Zudem ist der untere Abschnitt 68 breiter ist als der obere Abschnitt 71. Die elliptische oder halbelliptisch Form des Hohlraums 32 maximiert die Verringerung des Materials zum Bilden der Kurbelwelle 12, wodurch die Gewichtsreduzierung der Kurbelwelle 12 maximiert wird. Es wurde als wünschenswert erachtet, dass in einigen Ausführungsformen eine konstante Wanddicke, wie beispielsweise 5 mm, entlang der oberen Hälfte derselben, vorhanden ist. In einigen Ausführungsformen könnte die Form des Hohlraums 32 im Allgemeinen eine D-Form bestimmen, welche die Krümmung entlang des oberen Abschnitts und eine allgemein flache Oberfläche entlang des unteren Abschnitts aufweist.
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Das Volumen einer hohlen Kavität in einem Bolzenlagerzapfen ist jedoch beschränkt. Ein Hohlraum ist ein leerer Hohlraum, der mit Luft oder einem anderen Fluid gefüllt ist. Wenn ein Bolzenlagerzapfen eine Hohlkavität hat, muss das verbleibende Material der Kurbelwelle ausreichend sein, um hohen Belastungen standzuhalten, die am Bolzenlagerzapfen aufgrund der Belastung der Pleuel entstehen. So muss beispielsweise die Kurbelwelle 12 unter Bezugnahme auf 3 Spannungen so aufnehmen, dass die Größe der Spannungen an den typisch hohen Spannungsbereichen bei den unteren Hohlräumen 54A und bei den oberen Hohlräumen 54B nicht über vorgegebenen maximalen Spannungswerten liegt. Die Kurbelwelle 12 ist so ausgelegt, dass sich der Hohlraum 32 von der ersten axialen Seite 35 bis zur zweiten axialen Seite 37 vollständig durch den Bolzenlagerzapfen 28 erstreckt und sowohl an der ersten axialen Seite 35 als auch an der zweiten Achsenseite 37 an den Öffnungen 41 bzw. 43 öffnet.
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m die Vorteile einer gewichtsreduzierten Kurbelwelle zu nutzen, ist es daher erforderlich, das Material in den Hohlräumen 32, 33 zu entfernen. In Verbindung mit einer gegossenen Kurbelwelle kann dies über Kernelemente während des Giessverfahrens erreicht werden. Im Falle einer geschmiedeten Kurbelwelle 12, die aufgrund des Schmiedeverfahrens ein massives Element ist, wird der Prozess zum Bilden von Hohlräumen 32, 33 jedoch schwieriger. Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Lehren können die Hohlräume 32, 33 durch ein Fräs- und/oder Bearbeitungsverfahren gebildet werden. Um die Gewichtsreduzierung zu maximieren (d. h. das Gewicht der geschmiedeten Kurbelwelle zu minimieren), ist es jedoch erforderlich, die Form der Hohlräume 32, 33 zu optimieren, was im Allgemeinen zu nicht-zylindrischen Formen und Kurven führt und nicht zu Geraden, die für die meisten Bohrmaschinen erforderlich sind. Daher kann gemäß den Prinzipien der vorliegenden Lehren das Bohren oder Fräsen der geschmiedeten Kurbelwelle 12 unter Verwendung einer oder mehrerer einzigartiger Techniken durchgeführt werden.
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Unter besonderer Bezugnahme auf 1 wird darauf hingewiesen, dass das Fräsen einer oder mehrerer Hohlräume 33 aufgrund der besonderen Form der Kurbelwelle 12 schwierig sein kann. Insbesondere ist zu erkennen, dass eine Bohr- oder Fräsachse-eine durch ein Fräswerkzeug oder einen Fräser definierte Achse-durch Störungen, die durch andere vorstehende Teile der Kurbelwelle 12 verursacht werden, begrenzt sein kann. So würde beispielsweise bei herkömmlichen Kurbelwellen ein Kernbohr- oder Fräswerkzeug 100 (siehe 1) bei gegenüberliegenden Merkmalen der Kurbelwelle 12 wahrscheinlich einen Quetschpunkt 102a beeinträchtigen. Somit können die Hohlräume 33a abgewinkelt werden, um einen ausreichenden Abstand zwischen dem Kernbohrer oder dem Fräswerkzeug 100 und dem Quetschpunkt 102a zu ermöglichen.
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Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 1 ist jedoch zu verstehen, dass in einigen Ausführungsformen das Abwinkeln des Kernbohrers oder des Fräswerkzeugs 100 in Bezug auf den Quetschpunkt 102 möglicherweise nicht ausreicht, um den erforderlichen Fräsvorgang zu ermöglichen. In derartigen Ausführungsformen sieht die vorliegende Offenbarung abnehmbare Gegengewichte 30a vor, um den Zugang zum Fräsen von Hohlräumen 33b zu erleichtern. Mit dem Entfernen der abnehmbaren Gegengewichte 30a, die hierin ausführlich beschrieben werden, wird der Zugang des Kernbohrers oder Fräswerkzeugs 100 zu den Hohlräumen 33b und ein ausreichender Abstand zwischen Fräswerkzeug 100 und Quetschpunkt 102b ermöglicht. Es ist zu beachten, dass nicht alle Gegengewichte 30 so ausgelegt sein müssen, dass sie abnehmbar sind. Das heißt, wie in 1 veranschaulicht, können Gegengewichte 30b feste Gegengewichte bleiben, während nur abnehmbare Gegengewichte 30a entfernt werden müssen, um einen ausreichenden Zugang zu allen zu fräsenden Hohlräumen 32, 33 zu ermöglichen. Andererseits ist zu verstehen, dass alle Gegengewichte 30 abnehmbare Gegengewichte 30a sein können, um eine verbesserte Ausgleichsmöglichkeit zu bieten, wie hierin beschrieben wird.
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Unter besonderer Berücksichtigung der 1, 7 und 8 sind in einigen Ausführungsformen abnehmbare Gegengewichte 30a abnehmbar an entsprechenden Kurbelarmen 27 montiert. Es sollte verstanden werden, dass abnehmbare Gegengewichte 30a gemäß einer von einer Reihe von Verfahren abnehmbar montiert werden können, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf das Verbinden, Fügen, Kuppeln, Verschrauben, Schweißen, mechanisches Zusammenfügen und dergleichen und/oder eine Kombination derselben. So kann beispielsweise in einigen Ausführungsformen das abnehmbare Gegengewicht 30a über einen Schlitz 70, wie beispielsweise einen Schwalbenschwanzschlitz, abnehmbar gekoppelt werden. Der Schwalbenschwanzschlitz 70 kann entlang einer sich zwischen dem Kurbelarm 27 und dem abnehmbaren Gegengewicht 30a erstreckenden Schnittstelle 72 ausgebildet werden. Die Schnittstelle 72 kann sich tangential zur Achse 24 erstrecken. Obwohl die folgende Ausrichtung umgekehrt werden kann, kann der Schwalbenschwanzschlitz 70 in einigen Ausführungsformen einen schwalbenschwanzförmigen Kanal 74 umfassen, der sich entlang der Schnittstelle 72 des Kurbelarms 27 erstreckt, und einen entsprechenden schwalbenschwanzförmigen Vorsprung 76, der sich entlang der Schnittstelle 72 des abnehmbaren Gegengewichts 30a erstreckt. Der Kanal 74 und der Vorsprung 76 sind komplementär bemessen und geformt, um einen verschiebbaren Eingriff des abnehmbaren Gegengewichts 30a mit dem Kurbelarm 27 zu ermöglichen. In diesem Zusammenhang kann das abnehmbare Gegengewicht 30a während eines Fräsvorgangs von Hohlräumen 33b entfernt oder anderweitig nicht angebracht werden. Nach Abschluss des Fräsvorgangs der Hohlräume 33b kann das abnehmbare Gegengewicht 30a über den Schwalbenschwanzschlitz 70 verschiebbar mit dem Kurbelarm 27 in Eingriff gebracht werden. Um das Wuchten der Kurbelwelle 12 zu verbessern, kann der Schwalbenschwanzschlitz 70 verwendet werden, um ein abnehmbares Gegengewicht 30a an einer Vielzahl von Seitenpositionen (siehe 7) entlang des Schwalbenschwanzschlitzes 70 zu positionieren. Das heißt, das abnehmbare Gegengewicht 30a kann in einer versetzten Position in Bezug auf den Kurbelarm 27 positioniert werden, die ansonsten nicht verfügbar wäre, wenn das Gegengewicht 30a integral mit dem Kurbelarm 27 ausgebildet wäre. Nachdem das abnehmbare Gegengewicht 30a über den Schwalbenschwanzschlitz 70 mit dem Kurbelarm 27 verbunden ist, kann das abnehmbare Gegengewicht 30a zumindest vorübergehend zum Wuchten mit einer oder mehreren Stellschrauben 78, die sich durch das Gegengewicht 30a und/oder den Kurbelarm 27 erstrecken und ineinandergreifen, in Position gehalten werden (siehe 8). Die Stellschrauben 78 ermöglichen bei Bedarf die Durchführung von Unwuchtprüfungen und -einstellungen ohne dauerhafte Sicherung. Alternativ oder zusätzlich zu den Stellschrauben 78 kann das abnehmbare Gegengewicht 30a punktgeschweißt oder anderweitig mit dem Kurbelarm 27 an den Enden des Schwalbenschwanzschlitzes 70 oder einer anderen geeigneten Stelle verbunden werden. Nach dem Zusammenfügen des abnehmbaren Gegengewichts 30a können weitere Unwuchtprüfungen und Einstellungen der abnehmbaren Gegengewichte 30a, der Kurbelwelle 12 und/oder der Kurbelwellenanordnung 10 abgeschlossen werden, wie beispielsweise durch das Entfernen von Materialien vom abnehmbaren Gegengewicht 30a an den Bohrungen 80 und/oder das Hinzufügen von Materialien zum abnehmbaren Gegengewicht 30a an den Bohrungen 82. Auf diese Weise kann das Befestigen und Positionieren des abnehmbaren Gegengewichts 30a am Kurbelarm 27 als erste Bruttogleichgewichtseinstellung dienen und die Modifikation des abnehmbaren Gegengewichts 30a über die Bohrungen 80 und/oder die Schnecken 82 kann als letzte Feineinstellung dienen.
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Unter besonderer Bezugnahme auf die 1-6 sind die Hohlräume 32, 33 zum Fräsen gemäß den Prinzipien der vorliegenden Lehren ausgebildet. Wie hierin angegeben, können die Hohlräume 32, 33 einen nicht-zylindrischen Querschnitt zur Maximierung der Gewichtsreduzierung bestimmen, während gleichzeitig gewährleistet ist, dass das verbleibende Material der Kurbelwelle ausreichend ist, um den hohen Belastungen am Bolzenlagerzapfen 28 infolge der Belastung durch die Pleuelstangen zu widerstehen. Eine bestimmte nicht-zylindrische Querschnittsform ist in den 1-6 dargestellt; es ist jedoch zu verstehen, dass jede Querschnittsform, die zur Gewichtsminimierung unter Beibehaltung eines ausreichenden Materials, das den damit verbundenen Belastungen standhält, bestimmt wird, im Zusammenhang mit den vorliegenden Lehren erwartet wird. Die Bearbeitung der Hohlräume 32, 33 kann in einem oder mehreren Schritten abgeschlossen werden, wie beispielsweise, jedoch nicht beschränkt auf einen ersten Schritt (wie in 3 dargestellt), wobei ein Kernbohrer 104 verwendet wird, um einen ersten Bohrvorgang durchzuführen oder anderweitig zu ermöglichen. Der Kernbohrer 104 kann in einem einzigen Durchgang oder in mehreren Durchgängen verwendet werden. In einem mehrstufigen Prozess kann der Kernbohrer 104 zum Bilden einer ovalen oder elliptischen Form verschoben werden (siehe 5). Der Kernbohrer 104 kann weiterhin von gegenüberliegenden Seiten, wie der ersten axialen Seite 35 des jeweiligen Bolzenlagerzapfens 28 und der zweiten axialen Seite 37 des jeweiligen Bolzenlagerzapfens 28, eingesetzt werden (siehe 6). Die resultierenden Hohlräume 32, 33 nach dem Kernbohrer 104 können ungeschnittene Abschnitte 84 beinhalten, die mit einem Fräser 106 gefräst werden können (siehe 4). Der Fräser 106 kann einen vergrößerten Schneidkopf 108 und eine Spindel 110 mit reduzierter Größe beinhalten, um den Zugang und das Fräsen von ungeschnittenen Abschnitten 84 zum Bilden einer endgültigen Konfiguration von Hohlräumen 32, 33 zu ermöglichen. Bei Bedarf kann die Kurbelwelle 12 zusätzliche abnehmbare Gegengewichte 30a beinhalten, um den Zugang für den Kernbohrer 104 und den Fräser 106 zu den Hohlräumen 32, 33 für Schneid- und/oder Fräsarbeiten zu ermöglichen. Es ist zu beachten, wie in 6 dargestellt, dass die Prinzipien der vorliegenden Lehren, wie beispielsweise das Bohren mit dem Kernbohrer 104 und das Fräsen mit dem Fräser 106, gleichermaßen auf verschiedene alternative Auslegungen und Formen von Hohlräumen 32, 33, wie hierin beschrieben, anwendbar sind.
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Unter Bezugnahme auf die 1, 3 und 4 beinhaltet der Hohlraum 32 in einigen Ausführungsformen einen ersten Hohlraumabschnitt 86, einen zweiten Hohlraumabschnitt 88 und einen vergrößerten mittleren Hohlraumabschnitt 90. Der erste Hohlraumabschnitt 86 erstreckt sich im Wesentlichen durch den ersten Kurbelarm 27a. Der zweite Hohlraumabschnitt 88 erstreckt sich im Wesentlichen durch den zweiten Kurbelarm 27b. Der vergrößerte mittlere Hohlraumabschnitt 90 erstreckt sich im Wesentlichen durch den Bolzenlagerzapfen 28. Der vergrößerte mittlere Hohlraumabschnitt 90 ist zwischen dem ersten Hohlraumabschnitt 86 und dem zweiten Hohlraumabschnitt 88 an einem ungefähren Mittelabschnitt des Bolzenlagerzapfens 28 angeordnet. Wie in 3 dargestellt, legt der erste Hohlraumabschnitt 86 eine erste Querschnittsform fest und der zweite Hohlraumabschnitt 88 legt eine zweite Querschnittsform fest. In einigen Ausführungsformen legen der erste Querschnitt und der zweite Querschnitt des ersten Hohlraumabschnitts 86 und des zweiten Hohlraumabschnitts 88 jeweils eine im Wesentlichen elliptische Form mit einer ersten Querschnittsfläche bzw. einer zweiten Querschnittsfläche fest. Der erste Querschnitt des ersten Hohlraumabschnitts 86 weist eine erste Querschnittsfläche auf. Vorzugsweise ist die zweite Querschnittsfläche des zweiten Querschnitts des zweiten Hohlraumabschnitts 88 im Wesentlichen identisch mit der ersten Querschnittsfläche des ersten Hohlraumabschnitts 86. Der zweite Querschnitt und die zweite Querschnittsfläche des zweiten Hohlraumabschnitts 88 können sich jedoch von dem des ersten Hohlraumabschnitts 86 unterscheiden. Der vergrößerte zentrale Hohlraumabschnitt 90 legt einen dritten Querschnitt fest, der eine dritte Querschnittsfläche bestimmt. Die dritte Querschnittsfläche kann größer sein als die erste Querschnittsfläche und die zweite Querschnittsfläche. Die dritte Querschnittsform des vergrößerten mittleren Hohlraumabschnitts 90 kann lose als eiförmig beschrieben werden, d. h. eine teilweise elliptische Form mit einem Vorsprung oder einem länglichen Abschnitt, der sich radial zur Kurbelachse 24, bezogen auf den ersten Hohlraumabschnitt 86 und den zweiten Hohlraumabschnitt 88, erstreckt. Der vergrößerte mittlere Hohlraumabschnitt 90 des Hohlraums 32 minimiert oder reduziert eine Querschnittsdicke 92 des Bolzenlagerzapfens 28 zwischen einer radialen Innenfläche des Hohlraums 32 und einer Auflagefläche des Bolzenlagerzapfens 28. Durch die Reduzierung der Querschnittsdicke 92 des Bolzenlagerzapfens 28 in diesem Bereich wird die Menge der Metalllegierung zum Bilden der geschmiedeten Kurbelwelle 12 in diesem Bereich reduziert.
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Nach der Endbearbeitung der Kurbelwelle 12 ist es in einigen Ausführungsformen, wie in 2 dargestellt, erforderlich und/oder erwünscht, Becherstopfen 86 vorzusehen, um ein Atmen der Buchten zwischen benachbarten Buchten zu verhindern. Zu diesem Zweck können in einigen Ausführungsformen Kernbohrer 104 und/oder Fräser 106 konfiguriert werden, um das Bilden eines Stopfenrückhaltemerkmals 88 zu ermöglichen, wie beispielsweise die abgewinkelte Oberfläche eines Stufenbohrers, der im Hohlraum 32, 33 ausgebildet ist (siehe 2).
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Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht erschöpfend und soll die Offenbarung in keiner Weise beschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt sondern gegebenenfalls gegeneinander austauschbar und in einer ausgewählten Ausführungsform verwendbar, auch wenn dies nicht gesondert dargestellt oder beschrieben ist. Auch diverse Variationen sind denkbar. Solche Variationen stellen keine Abweichung von der Offenbarung dar, und alle Modifikationen dieser Art verstehen sich als Teil der Offenbarung und fallen in ihren Schutzumfang.
