DE2706072A1 - Gegossene kurbelwellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine gegossene Kurbelwelle mit Ausnehmungen, die die Wangen der Kurbelwelle durchdringen und im daran anschließenden inneren Bereich des die Grund- und Hubzapfen bildenden Gußmaterials durch vor dem Gießen dort eingesetzte Kerne zur Verringerung des Gewichts und der rotierenden unrunden Massen sowie deren Gegengewichte entstanden sind.

Der Aufwand, der für die Vorbereitung zum Gießen von Kurbelwellen getroffen werden muß, und der Aufwand für das Gießen selbst ist nur dann gerechtfertigt, wenn das fertige Erzeugnis, nämlich die Gußwelle gegenüber der Schmiedewelle, deutliche Vorteile aufweist. Gegossene Kurbelwellen können aber erst dann als optimal bezeichnet werden, wenn alle technischen Möglichkeiten, die die Gießtechnik gegenüber der Schmiedetechnik mit sich bringt, voll ausgenutzt werden. Dazu gehört insbesondere, daß die rotierenden un- runden Massen und ihre Gegengewichte soweit wie möglich verringert werden. Dies geschieht in bekannter Weise durch Einbringen von Ausnehmungen in den Hub- und Grundzapfen. Diese Ausnehmungen müssen nun besonders ausgestaltet sein, damit das Endprodukt Kurbelwelle das geringste Gewicht aufweist, was möglich ist, wobei insbesondere darauf geachtet werden muß, daß Spannungsspitzen in den Hohlkehlen von Hub- und Grundzapfen von vornherein einen Minimalwert erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Beachtung dieser Gesichtspunkte eine gießgerechte Gestaltung der Kurbelwelle vorzuschlagen, bei der die Dauerfestigkeit insbesondere der Hohlkehlradien einen besonders hohen Wert erreicht, die walzbar sein müssen und wobei die Kerntechnik und die Tolerierung der Ausnehmungen eine besondere Beachtung findet.

Bei allen an einer Kurbelwelle auftretenden Belastungen wie beispielsweise Biegung infolge von Zünd- und Massenkraft, Biegung infolge eines konstanten Momentes und Verdrehung infolge eines Torsionsmomentes sind die Hub- und Grundzapfenhohlkehlen am meisten beansprucht. Die Ausnehmungen der Hubzapfen und der Grundzapfen beeinflussen maßgebend das Spannungsniveau an der Hubzapfenhohlkehle. Demgemäß ist es auch Aufgabe der Erfindung, die Ausnehmungen so zu gestalten, daß die auftretenden Spannungen nicht höher - möglichst jedoch niedriger - sind als bei einer Kurbelwelle ohne Ausnehmungen.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung dadurch gelöst, daß das Verhältnis des kleinsten Abstandes der Hohlkehle des Hubzapfens von der Mantelflächenlinie der Ausnehmung zum Durchmesser des Hubzapfens zwischen den Werten 0,45 und 0,66, insbesondere bei 1:2 liegt und daß dieser Abstand etwa so groß ist wie die Entfernung benachbarter Hohlkehlen an den Hub- und Grundzapfen voneinander.

Spannungsoptische Untersuchungen haben nun ergeben, daß bei einem solchen Verhältnis sich tatsächlich optimale Bedingungen für das Spannungsniveau der Kurbelwelle ergeben. Dabei ist es unerheblich, wie die Ausnehmungen im übrigen ausgestaltet sind. Meist wird man die Ausnehmungen so ausbilden, daß in der Mitte zwischen diesen ein Steg verbleibt. Es ist aber auch möglich, die Ausnehmung durchgehend auszubilden, wenn dafür Sorge getragen wird, daß nicht in der Mitte noch ein Gratsteg stehen bleibt. Auf die Ausbildung der gefährlichen Spannung hat es keinen Einfluß, ob in einem Hubzapfen eine durchgehende Ausnehmung angebracht ist, oder von jeder Stelle eine Ausnehmung geringerer Tiefe, die zwischen sich einen Mittelsteg aufweist. Die Festigkeit der Kurbelwelle ist in beiden Fällen dieselbe; sie wird in jedem Falle durch die Ausnehmungen gesteigert.

Von Bedeutung ist auch, wenn die Grundzapfenausnehmung besonders groß in Richtung auf den Hubzapfen ist und sich vorzugsweise annähernd bis zum Beginn des Übergangs des Anlaufbundes an der Wange erstreckt oder diese Grenze sogar noch ein wenig überschreitet. Hierdurch bewirkt die Grundzapfenausdehnung eine große Entlastung der Hubzapfenhohlkehle, insbesondere dann, wenn deren Oberkante mit dem Übergang des Anlaufbundes in die Wange identisch ist oder diese sogar noch leicht anschneidet.

Durch sehr breite Ausnehmungen wird ein sehr flacher Spannungsverlauf in Umfangsrichtung der Hohlkehlen erreicht. Dieser ist für die Festigkeit ungünstig, weil der Spannungsgradient in Umfangsrichtung sehr klein wird und damit die Makrostützwirkung im Werkstoff nicht angesprochen wird. Deshalb soll sich in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Breite der Ausnehmungen b zur Breite der Wangen B der Kurbelwelle höchstens wie 2:3 verhalten. Hierdurch wird das Verhältnis des Gewichts zum Spannungsverlauf besonders günstig.

Bei der Herstellung gegossener Kurbelwellen im Maskenformverfahren muß mit Kornversatz gerechnet werden. Daher ist die Toleranzangabe besonders bedeutungsvoll; demnach ist so vorzugehen, daß die Toleranzangaben hinsichtlich der genannten Grenzlinie der Innenwandfläche der Ausnehmung im Bereich des Hubzapfens und hinsichtlich des von der Längsmittelachse am weitesten entfernten Punktes der Grundzapfenausdehnung nun nach außen, d. h. von der Längsmittelachse weg gerichtet sind. Hierdurch läßt sich im Falle eines Versatzes des Kerns der jeweils günstigte Effekt im Hinblick auf die Festigkeit erzielen.

Bei einer herkömmlichen Anordnung der Kerne, durch die beim Guß die Ausnehmungen entstehen, und die nicht viel größer sind als die Ausnehmungen selbst, läßt sich beim Gießen um die Ausnehmung herum ein Rand mit unterschiedlicher oft gezackter Gratbildung nicht vermeiden. Diese Grate müssen insbesondere in der Umgebung der Symmetrieachse durch eine Wange mit großer Sorgfalt und unverhältnismäßig großem Aufwand entfernt werden. Dabei entstehen aber leicht Verlet- zungen der Gießhaut in Form von Kerbwirkungen und gerade in einer mechanisch hoch beanspruchten Zone. Die Folge davon sind Ausschuß, unter Umständen sogar Wellenbruch durch Rißbildung. Um dies zu vermeiden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen gemeinsamen Kern für zwei in benachbarten Hubzapfen vorgesehenen gegenüberliegende Ausnehmungen in einer solchen Gestalt zu verwenden, daß deren Grenzflächen die zugehörigen Wangen der Kurbelwelle bis über die Wangenmitte hinaus übergreifen und zur Längsmittelachse hin etwa bis zur Mitte des Grundzapfens reichen. Auf diese Weise kommt der Gratverlauf auf die Schmalseite der Wange zu liegen, wo ein Gußputzen ohne Gefahr durchgeführt werden kann, weil dort keine besondere Beanspruchung auftritt. Außerdem verläuft der Grat über den Grundzapfen, also an einer Stelle, die ohnehin bearbeitet wird.

Werden nun Ölbohrungen vorgesehen, die in der Nähe der Ausnehmungen oder gar durch diese hindurch verlaufen müßten, so braucht dies gar nicht als Nachteil angesehen zu werden; im Gegenteil kann eine solche Forderung sogar vorteilhaften Nutzen bringen, wenn als Material für im Bereich der Ausnehmungen vorgesehene Ölbohrungen rippenartige Verstärkungen in den Ausnehmungen vorgesehen werden, die dem Verlauf der vorgesehenen Ölbohrungen angepaßt sind und ihnen folgen. Um die Ausbildung von Lunkern, insbesondere von Mikrolunkern beim Gießen zu vermeiden, muß dafür gesorgt werden, daß der Fluß des Materials beim Gießen ungehindert erfolgen kann. Hierzu muß in weiterer Ausgestaltung der Erfindung auf eine solche Ausbildung und Anordnung der Ausnehmungen im Bereich der Grund- und Hubzapfen geachtet werden, daß für das zu gies- sende Material ein Flußbett möglichst gleichmäßigen Durchflußquerschnitts vom Grundzapfen herkommend zwischen den Ausnehmungen in den Wangen und im Bereich des Hubzapfens gewährleistet ist. Es muß also für einen Durchfluß etwa gleicher Breite an allen Stellen gesorgt werden. Dabei ist darauf zu achten, daß der kleinste Abstand a der Hohlkehle
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des Hubzapfens von der Mantelflächenlinie der Ausnehmung des Hubzapfens und der Entfernung W zwischen dem Anlauf des Hubzapfens an einer Wange und dem benachbarten Anlaufbund des Grundzapfens an derselben Wange etwa gleich sind.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der folgenden Beschreibung näher erläutert, der auch weitere Einzelheiten des Gegenstandes der Erfindung entnommen werden können. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines Teiles einer Kurbelwelle mit den erfindungsgemäßen Merkmalen,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 eine Ansicht eines Teils der Kurbelwelle mit im Bereich zwischen zwei Hubzapfen eingelegtem Kern teilweise im Schnitt.

Die in der Zeichnung dargestellte gegossene Kurbelwelle 1 weist zwischen zwei Wangen 2 und 3 einen Hubzapfen 4 und rechts und links dieser Wangen jeweils einen Grundzapfen 5 und 6 auf. In den Grundzapfen 5 und 6 befinden sich Grundzapfen-Ausnehmungen 7 mit sie begrenzenden Linien 8. Auch im Hubzapfen 4 befinden sich Ausnehmungen 9 oder 10 mit sie begrenzenden Linien 11 bzw. 12. Die begrenzenden Linien 11 zeigen, daß zwei zugehörige Hubzapfen-Ausnehmungen von jeder Seite des Hubzapfens her eingebracht sind und nicht ganz durch den Hubzapfen hindurch verlaufen. Im Gegensatz dazu ist die Hubzapfen-Ausnehmung 10 durchgehend angebracht, wie die zugehörige begrenzende Linie 12 zeigt. Für die Festigkeit der Kurbelwelle, insbesondere auch für die Dauerfestigkeit, ist die Art der Hubzapfen-Ausnehmung, entweder durchgehende Ausnehmung oder zwei Ausnehmungen von beiden Seiten her, die nicht durchgehend sind, ohne Bedeutung, wenn nur die übrigen hier noch geschilderten erfindungsgemäßen Bedingungen erfüllt sind. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Ausnehmungen werden beispielsweise Kerne 13 verwendet, wie sie in Fig. 4 dargestellt sind. Durch die Kerne 13 entstehen beim Gießen Ausnehmungen im Bereich der Hubzapfen 4 mit Innenwandflächen 11, die jeweils eine zur Kurbelwellenlängsmittelachse 14 nächste und dazu etwa parallele Grenzlinie 15 aufweisen. Diese hat einen Abstand a gegenüber der peripheren Linie 16 des Hubzapfens 4, die parallel zur Längsachse 14 der Kurbelwelle 1 verläuft und dieser Achse am nächsten liegt. Gemäß der Erfindung soll nun das Verhältnis des kleinsten Abstandes a der Hohlkehle 20 des Hubzapfens 4 von der Mantellinienfläche 11 der Ausnehmung 9 zum Durchmesser 18 des Hubzapfens 4 zwischen den Werten 0,45 und 0,66, insbesondere aber bei 1:2 liegen. Außerdem soll aus Gründen der Festigkeit der genannte Abstand a etwa so groß sein wie die Entfernung W benachbarter

Hohlkehlen 20 und 27 an den Hub- 4 und Grundzapfen 5, 6 voneinander. Bei einer solchen Ausbildung der Ausnehmungen erzielt man eine große Dauerfestigkeit und die Spannungen bei Beanspruchung der Kurbelwelle sind unter Umständen noch nicht einmal so groß wie bei einer Kurbelwelle ohne Ausnehmungen. Dabei sollen die Ausnehmungen 7 im Bereich des Grundzapfens 5 oder 6 eine möglichst große Ausdehnung zum Hubzapfen 4 hin haben und wenigstens annähernd bis zum Beginn des Übergangs des Anlaufbundes 19 der Hohlkehlen 20 an der Wange 2 oder 3 reichen oder diese Grenze sogar noch ein wenig überschreiten.

Durch sehr breite Ausnehmungen wird ein sehr flacher Spannungsverlauf in Umfangsrichtung der Hohlkehlen 27 erreicht, ein solcher ist für die Festigkeit nicht sehr günstig durch die dann fehlende Makrostützwirkung des Werkstoffes. Deshalb ist weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen, daß sich die Breite b der Ausnehmungen 9 oder 10 zur Breite B der Wangen 2 oder 3 der Kurbelwelle 1 höchstens wie 2:3 verhält.

Da bei der Herstellung der Kurbelwelle mit ihren Ausnehmungen durch Kerne im Croning-Verfahren mit Kernversatz gerechnet werden muß, soll die Toleranzangabe bezüglich der Grenzlinie 15 der Innenwandfläche der Ausnehmung 9 oder 1a im Bereich des Hubzapfens und hinsichtlich des von der Längsmittelachse 14 am weitesten entfernten Punktes 21 der Grundzapfenausnehmung 7 nur nach außen hin von der Längsmittelachse 14 weg in Richtung der Pfeile 22 und 23 gerichtet sein.

Würden die Kerne zu klein gemacht und hätten beispielsweise nur eine Ausdehnung, die durch die Projektion 24 der etwa ellipsenförmig ausgebildet gedachten Innenwandfläche der Hubzapfenausnehmungen 9 gekennzeichnet wäre, dann müßten die um die Grenzlinien des Kerns herum entstehenden Grate insbesondere in der Umgebung der Symmetrieebene durch eine Wange 2 oder 3 mit größter Vorsicht und großem Aufwand entfernt werden, denn dort entstehen leicht Verletzungen der Gießhaut in einer mechanisch hoch beanspruchten Zone, wo um den Kern herum oft ein Rand mit unterschiedlicher und gezackter Gratbildung entstehen kann. Um dies zu vermeiden, wird ein gemeinsamer Kern 13 für zwei in benachbarten Hubzapfen 4 vorgesehene gegenüberliegende Ausnehmungen 9 in einer solchen Ausbildung verwendet, daß die Grenzflächen 25 des Kerns 13 die zugehörigen Wangen 2 und 3 bis über ihre Mitte hinaus übergreifen und zur Längsmittelachse 14 hin etwa bis zur Mitte des Grundzapfens 6 reichen.

Zur Erhöhung der Steifigkeit und weiteren Minderung der Spannungen dient es auch, wenn im Kern 13 eine rippenartige Vertiefung 26 vorgesehen ist, durch die beim Abguß eine rippenartige Verstärkung in den Ausnehmungen 9 hervorgerufen wird, durch die dann die Ölbohrung gelegt wird. Die bearbeiteten Hohlkehlen 20 und 27 werden nämlich zur Steigerung der Dauerfestigkeit durch Rollen festgewalzt. Dies geschieht mit hohen Drücken und dabei muß die unterschiedliche Steifigkeit infolge der Ausnehmung im Verlauf eines Hohlkehlenumlaufs berücksichtigt werden.

Für einen gußtechnisch einwandfreien Fluß des geschmolzenen Materials durch die Form und die Vermeidung von Mikrolunkern muß dadurch gesorgt werden, daß die in der Modellform auftretenden Querschnitte genügend groß und strömungstechnisch günstig sind. Auch hierzu müssen die Ausnehmungen 7, 9 oder 10 beitragen, die eine derartige Ausbildung und Anordnung aufweisen müssen, daß für das zu gießende Material ein Flussbett möglichst gleichmäßigen Durchflußquerschnitts vom Grundzapfen 5 herkommend, zwischen den Ausnehmungen 7, 9 oder 10 in den Wangen 2 und 3 und im Bereich des Hubzapfens 4 gewährleistet ist. Dabei ist insbesondere darauf zu achten, daß der Abstand a etwa gleich groß ist wie der Abstand W zwischen den inneren Hohlkehlen 20 des Hubzapfens 4 und der äußeren Hohlkehle 27 des Grundzapfens 5 oder 6.

Claims (7)

1. Gegossene Kurbelwelle mit Ausnehmungen, die die Wangen der Kurbelwelle durchdringen und im daran anschließenden inneren Bereich des die Grund- und Hubzapfen bildenden Gußmaterials durch vor dem Gießen dort
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Kerne zur Verringerung des Gewichts und der rotierenden unrunden Massen sowie deren Gegengewichts entstanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des kleinsten Abstandes (a) der Hohlkehle (20) des Hubzapfens (4) von der Mantelflächenlinie (11) der Ausnehmung (9) zum Durchmesser (18) des Hubzapfens (4) zwischen den Werten 0,45 und 0,66, insbesondere bei 1:2 liegt und daß dieser Abstand (a) etwa so groß ist wie die Entfernung (W) benachbarter Hohlkehlen (20 und 27) an den Hub- (4) und Grundzapfen (5, 6) voneinander.

2. Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (7) im Bereich des Grundzapfens (5, 6) eine möglichst große Ausdehnung zum Hubzapfen (4) hin aufweist und wenigstens annähernd bis zum Beginn des Übergangs des Anlaufbundes (19) der Hohlkehle (20) an der Wange (2, 3) reicht oder diese Grenze sogar noch ein wenig überschreitet.

3. Kurbelwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Breite (b) der Ausnehmungen (7, 9, 10) zur Breite (8) der Wangen (2, 3) der Kurbelwelle (1) wie 2:3 verhält.

4. Kurbelwelle nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Toleranzangaben hinsichtlich der genannten Grenzlinie (15) der Innenwandfläche der Ausnehmung (9, 10) im Bereich des Hubzapfens (4) und hinsichtlich des von der Längsmittelachse (14) am weitesten entfernten Punktes (21) der Grundzapfen-Ausnehmung (7) nur nach außen, d. h. von der Längsmittelachse (14) weg in Richtung der Pfeile (22, 23) gerichtet sind.

5. Kurbelwelle nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein gemeinsamer Kern (13) für zwei in benachbarten Hubzapfen (4) vorgesehene gegenüberliegende Ausnehmungen (9) in einer solchen Ausbildung verwendet wird, daß deren Grenzflächen (25) die zugehörigen Wangen (2, 3) bis über ihre Mitte hinaus übergreifen und zur Längsmittelachse (14) hin etwa bis zur Mitte des Grundzapfens (6) reichen.

6. Kurbelwelle nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für im Bereich der Ausnehmungen (7, 9, 10) vorgesehene Ölbohrungen rippenartige Verstärkungen (26) in den Ausnehmungen (9) vorgesehen sind, die im Verlauf der vorgesehenen Ölbohrungen folgen.

7. Kurbelwelle nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung und Anordnung der Ausnehmungen (7, 9, 10) im Bereich der Grund- (5, 6) und Hubzapfen (4), daß für das zu gießende Material ein Flußbett möglichst gleichmäßigen Durchflußquerschnitts vom Grundzapfen (5) herkommend, zwischen den Ausnehmungen (7, 9, 10) in den Wangen (2, 3) und im Bereich des Hubzapfens (4) gewährleistet ist, wobei der Abstand (a) etwa gleich der Entfernung (W) ist.