DE3438805C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine axialsymmetrische Kurbelwelle für einen 6-Zylinder-Motor mit V-Anordnung der Zylinder nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Kurbelwelle mit einem ersten, zweiten, dritten und vierten Hauptlagerzapfen 21, 22, 23 und 24 - gesehen von links nach rechts- für die jeweils ein Hauptlager in einem Zylinderblock vorgesehen ist. Zur Lagerung der Kolbenstangen sind Kurbelzapfen 41, 42, 43, 44, 45 und 46 vorgesehen, die zwischen benachbarten Lagerzapfen mittels Kurbelwangen 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 und 39 einstückig in die Kurbelwelle eingegliedert sind.

Am rückwärtigen Teil des vierten Hauptlagerzapfens 24, der das Ende der Kurbelwelle bildet, ist ein Befestigungs­ flansch zum Anbau eines Schwungrades 5 einstückig ausge­ staltet.

Die Neuner-Ausgleichanordnung ist schematisch in der Stirn­ ansicht oder in Axialrichtung der Kurbelwelle in Fig. 2 gezeigt. Es kommen neun Gegengewichte zur Anwendung.

Die Masse jedes Gegengewichts, die, wie Fig. 1 zeigt, vorgesehen sind, um die von der drehenden sowie der hin­ und hergehenden Masse erzeugten Massenkräfte auszugleichen, ist durch den Vektor einer Trägheitskraft in Fig. 2 dar­ gestellt. Das erste und das neunte Gegengewicht 61 bzw. 69, deren Vektoren zueinander entgegengerichtet sind, sind miteinander ausgeglichen. Das zweite, fünfte und achte Gegengewicht 62, 65 und 68 sind so angeordnet, daß sich ihre Kraftvektoren unter 120° schneiden; auch sind sie miteinander ausgeglichen, wozu die Bemessung beiträgt. Ferner sind das dritte und das sechste Gegengewicht 63 und 66 sowie das vierte und das siebte Gegengewicht 64 und 67 gleichgewichtig axialsymmetrisch zueinander in bezug auf die Kurbelwange 35 so angeordnet, daß sich das dritte und das siebte Gegengewicht 63, 67 unter 60° sowie das vierte und das sechste Gegengewicht 64, 66 ebenfalls unter 60° schneiden; deshalb sind die Gegengewichtspaare 63, 66 und 64, 67 zueinander ausgeglichen. Somit wird das Gleichgewicht zwischen einander entsprechenden Gegen­ gewichten zuverlässig beibehalten.

Diese herkömmliche Konstruktion einer Kurbelwelle ist insofern von Vorteil, als das Gleichgewicht zwischen den einander entsprechenden Gegengewichten in idealer Weise eingehalten wird und als sie dazu geeignet ist, großen Flächendruck aufzunehmen und auch einer großen Biege- sowie Scher- oder Schubspannung zu widerstehen. Eine Kurbel­ welle herkömmlicher Konstruktion hat jedoch ein extrem hohes Gewicht, was auf der Tatsache beruht, daß alle Kurbel­ wangen mit Gegengewichten ausgestattet sind, um einen völligen Gewichts- oder Massenausgleich zu erhalten. Aus diesem Grund kann die Eigenfrequenz einer Drehschwingung nicht adäquat angehoben werden, was in nachteiliger Weise einen Anstieg in der Drehschwingung im hohen Drehzahlbereich des Motors zum Ergebnis hat. Darüber hinaus ist die Tat­ sache, daß die Kurbelwelle ein großes Gewicht hat, in bezug auf ein Ansprechen auf eine Beschleunigung ungünstig und verschlechtert den Kraftstoffverbrauch.

In dem DE-Buch "Kolben, Pleuel und Kurbelwelle bei schnelllau­ fenden Verbrennungsmotoren" von W.-D. Bensinger und A. Meier, S. 85, ist eine axialsymmetrische Kurbelwelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gezeigt, bei der aus Gründen der Gewichtseinsparung statt neun, wie bei der eingangs geschilderten herkömmlichen Kurbelwelle, nur noch sechs Gegengewichte vorgesehen sind, die in Be­ messung und Anordnung zueinander ausgeglichen sind. Obwohl sich die letztgenannte Kurbelwelle hinsichtlich des Ge­ wichts schon vorteilhaft von der herkömmlichen Kurbelwelle unterscheidet, ist eine weitere Gewichtsverminderung wün­ schenswert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße axialsymmetrische Kurbelwelle derart weiterzubilden, daß sie unter Beibehaltung eines zufriedenstellenden Massen­ ausgleichs mit einem geringeren Gewicht gebaut werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst. Durch die Ausgestaltung der Kurbelwelle mit nur noch fünf Gegengewichten, von denen eines in Axialrichtung der Kurbelwelle mittig angeord­ net ist, in Verbindung mit der zum mittigen Gegengewicht symmetrischen Anordnung und Ausrichtung der übrigen Gegen­ gewichte und durch den mittels zweier auf unterschiedlichen Seiten des mittigen Gegengewichts angeordneter Gegenge­ wichte vorgegebenen Ausgleich der rotierenden Masse des mit­ tigen Gegengewichts wird eine wesentliche Gewichtserspar­ nis erzielt, ohne daß hinsichtlich des Schwingungsver­ haltens der Kurbelwelle nachteilige Wirkungen auftreten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Er­ findung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Aus der AT-PS 181 146 ist eine Kurbelwelle bekannt, die mit zwei außerhalb der äußeren Hauptlagerzapfen angeordneten fliegenden äußeren Gegengewichten ausgerüstet ist und deren zwei innere Gegengewichte durch ein einziges, mittiges Gegengewicht ersetzt sind, das zwischen den beiden mittigen, gleichgerichteten Kröpfungen sitzt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Ausführungs­ form unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Kurbelwelle gemäß der Erfindung;

Fig. 1 eine schematische Darstellung für die Anordnung von Hauptlagerzapfen, Kurbelzapfen, Kurbelwangen und Gegengewichten bei einer herkömmlichen Kurbel­ welle;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Kurbelwangen und der Gegengewichte der Kurbelwelle gemäß Fig. 1 in Stirn- oder Axialansicht;

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Kurbelwangen und der Gegengewichte der Kurbelwelle gemäß Fig. 3 in Stirn- oder Axialansicht;

Fig. 5 bis 13 Schnittdarstellungen nach den Linien V-V bis XIII-XIII in Fig. 3.

Einander entsprechende Elemente sind sowohl in den eine herkömmliche Kurbelwelle darstellenden Fig. 1 und 2 als auch in den Fig. 3 bis 13 mit demselben Bezugszeichen versehen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 sind die dritte, vierte, sechste und siebte Kurbelwange 33, 34, 36 und 37 nicht mit Gegengewichten versehen. Die an der ersten sowie an der zweiten Kurbelwange 31 bzw. 39 befindlichen Gegengewichte 61, 69 weisen die gleiche Ausgestaltung, die gleiche rotierende Masse und das gleiche Widerstands­ moment auf, so daß sie einander ausgleichen. Die zweite und die achte Kurbelwange 32 und 38 sind axialsymmetrisch zueinander in bezug auf die mittige Kurbelwange 35 ange­ ordnet und mit Gegengewichten 62 bzw. 68 ausgestattet, die in ihrer Ausgestaltung, ihrer Masse und ihrem Wider­ standsmoment gleich sind, so daß sie mit Bezug zur fünften bzw. mittigen Kurbelwange 35 und deren Gegengewicht 65 selbstausgleichend sind.

Im Gegensatz zur herkömmlichen, in Fig. 2 gezeigten An­ ordnung, bei der die Gegengewichte 61, 62, 63, 69, 68, 67 zueinander einen Winkel von 30° aufweisen, hat die in Fig. 4 dargestellte Anordnung keine Gegengewichte 63 und 67. Daher würden die Werte für die Biegebeanspruchungen in bezug auf die Kurbelwangen 32 und 38 unerwünscht erhöht, wenn die Ausrichtung der Gegengewichte 62 und 68 - in Axialrichtung der Kurbelwelle gesehen - so belassen würde, wie Fig. 2 zeigt.

Daher wird, wie Fig. 6 zeigt, das Gegengewicht 62 im Ver­ gleich zur herkömmlichen Anordnung in Richtung auf die Horizontalebene der Achse der Kurbelwelle 1 um 15°, d.h. um den halben Winkel von 30°, näher an den herkömmlicher­ weise vorgesehenen Gegengewichten 63 und 67 d.h. höher angeordnet. Andererseits wird das Gegengewicht 68, wie Fig. 12 zeigt, in Richtung auf die Horizontalebene der Kurbelwelle 1, um 15° näher an den herkömmlicherweise vorgesehenen Gegengewichten 63 und 67, d.h. niedriger angeordnet. Das gilt dafür, daß der erste Kurbelzapfen in seiner oberen Totpunktlage steht. Durch diese Anordnung wird es möglich, die Kurbelwangen in der Biegebeanspruchung etwa so auszugleichen, wie es bei einer herkömmlichen, in Fig. 1 gezeigten Kurbelwelle mit einer Neuner-Ausgleich­ anordnung möglich ist.

Die jeweilige Ausrichtung und Ausgestaltung der Kurbel­ wangen und ihrer Gegengewichte ist in den Frontansichten der Fig. 5 bis 13 gezeigt.

Das Gegengewicht 62 ist, wie Fig. 6 zeigt, so angeordnet, daß es im vierten Quadranten an der Stellung R ₂ von 135° ist, wenn sich der Kurbelzapfen 41 im oberen Totpunkt befindet. Andererseits ist das Gegengewicht 68 so angeord­ net, wie Fig. 12 zeigt, daß es sich im 1. Quadranten an der Stellung R ₈ von 45° befindet, wenn der Kurbelzapfen 41 im oberen Totpunkt ist.

Die Winkel der Gegengewichte 62 und 68 können entsprechend der besonderen Konstruktion bestimmt werden, wobei vor­ ausgesetzt wird, daß sich die Gegengewichte 62, 68 jeweils im 4. und 1. Quadranten befinden, wenn der Kurbelzapfen 41 im oberen Totpunkt ist, und daß sie das Gleichgewicht zwischen den entsprechenden Kurbelwangen trotz Fehlens der Gegengewichte 63 und 67 halten.

Die Fig. 7, 8, 10 und 11 zeigen die Anordnung der Kurbelwan­ gen 33, 34, 36 und 37, die keine Gegengewichte haben.

Die Massen des ersten und des neunten Gegengewichts 61, 69 sind einschließlich der Massen der ihnen zugeordneten Kurbelwangen 31, 39 die größten; die Massen des dritten, vierten, sechsten und siebten Gegengewichts, die allein von den Kurbelwangen gebildet werden, sind die kleinsten; die Massen des zweiten, fünften und achten Gegengewichts einschließlich der zugeordneten Kurbelwangen liegen zwischen den größten und den kleinsten Massen.

Mit der oben beschriebenen Anordnung ist die Kurbelwelle 1 etwa ausgeglichen. Die Kurbelwelle 1 kann in bezug auf die Biegebeanspruchung auf einem Niveau gehalten werden, das etwa dem der Kurbelwelle mit Neuner-Ausgleichanordnung entspricht.

Da die Kurbelwangen 33, 34, 36 und 37 keine Gegengewichte haben, wird die Eigenfrequenz der Drehschwingung der Kurbel­ welle 1 entsprechend erhöht, so daß es möglich ist, die Drehzahl des Motors bis zum hohen Drehzahlbereich hinauf ruhig und glatt zum Ansteigen zu bringen.

Ferner ist die Kurbelwelle 1 bei richtiger konstruktiver Auslegung gut dazu geeignet, einen großen Flächendruck aufzunehmen sowie einer hohen Biege- und Schubbeanspruchung standzuhalten, und zwar auch im hohen Drehzahlbereich.

Da darüber hinaus die rotierende Masse des zweiten sowie des achten Gegengewichts und die des fünften Gegengewichts miteinander ausgeglichen sind, ist die Kurbelwelle ohne Abnormität drehbar.

Die Zahl der an der Kurbelwelle angebrachten Gegengewichte wird vermindert, wodurch eine beträchtliche Gewichtsredu­ zierung zu erreichen ist.

Claims (8)

1. Axialsymmetrische Kurbelwelle für einen 6-Zylinder- Motor mit V-Anordnung der Zylinder,
mit sechs Kröpfungen für die Kurbelzapfen,
mit einer Mehrzahl von Hauptlagerzapfen, von denen zwei an den Kurbelwellenenden angeordnet sind,
mit einer Mehrzahl von Kurbelwangen, von denen eine mit­ tig angeordnet ist, und
mit einer Mehrzahl von Gegengewichten,
wobei zumindest ein Paar von beidseits der mittigen Kur­ belwange angeordneten Kurbelwangen gegengewichtsfrei ist, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß die Anzahl der Gegengewichte fünf ist, wobei eines (65) der mittigen Kurbelwange (35) und die übrigen (61, 62, 68, 69) den zu der ersten und zu der letzten Kröpfung gehörenden vier Kurbelwangen (31, 32, 38, 39) zugeordnet sind, so daß die gegengewichtsfreien Kurbelwangen (33, 34, 36, 37) der mittigen Kurbelwange (35) benachbart sind,
• b) daß die zwei Gegengewichte (61, 69), die an den den Kurbelwellenenden nächsten Kurbelwangen (31, 39) ange­ ordnet sind, unter sich hinsichtlich ihrer rotieren­ den Massen ausgeglichen sind,
• c) und daß die drei übrigen Gegengewichte (62, 65, 68) unter sich hinsichtlich ihrer rotierenden Massen ausge­ glichen sind.

2. Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beidseits der mittleren Kurbelwange (35) jeweils zwei gegengewichtsfreie Kurbelwangen (33, 34; 36, 37) angeord­ net sind.

3. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich - bei oberer Totpunktlage des ersten Kurbelzapfens (41) und bei Ansicht der Kurbelwelle (1) von dem den ersten Kurbelzapfen (41) tragenden Kurbel­ wellenende her - das Gegengewicht (62) der inneren Kurbel­ wange (32) der ersten Kröpfung im vierten und das Gegenge­ wicht (68) der inneren Kurbelwange (38) der letzten Kröp­ fung im ersten Quadranten befindet.

4. Kurbelwelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Resultierende der Massenkräfte des Gegengewichts (62) der inneren Kurbelwange (32) der ersten Kröpfung und die Resultierende der Massenkräfte des Gegengewichts (68) der inneren Kurbelwange (38) der letzten Kröpfung einen Winkel von 135° mit der Resultierenden der Massen­ kräfte des mittleren Gegengewichts (65) einschließen.

5. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegengewichte (61, 69) der äußeren Kurbelwangen (31, 39) der ersten und letzten Kröpfung größere Massen aufweisen als die drei übrigen Gegengewichte (62, 65, 68).

6. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegengewichte (61, 69) der äußeren Kurbelwangen (31, 39) der ersten und letzten Kröpfung einander in Gestaltung, Masse und Widerstandsmoment gleich sind.

7. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegengewichte (62, 68) der inneren Kurbelwangen (32, 38) der ersten und letzten Kröpfung einander in Gestaltung, Masse und Widerstandsmoment gleich sind.

8. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Kurbelwangen (61, 69) in ihrer Dicke größer sind als die ihnen benachbarten Kurbelwangen (62, 68).