PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE112005002861T5 04.10.2007
Titel Kurbelwelle und Verfahren zum Fertigen einer solchen Kurbelwelle
Anmelder Scania CV AB, Södertälje, SE
Erfinder Larsen, Per, Södertälje, SE;
Törnevik, Henrik, Nykvarn, SE
Vertreter WUESTHOFF & WUESTHOFF Patent- und Rechtsanwälte, 81541 München
DE-Aktenzeichen 112005002861
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KM, KN, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, LY, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NG, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, EP, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, LV, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, OA, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, AP, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, EA, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM
WO-Anmeldetag 14.11.2005
PCT-Aktenzeichen PCT/SE2005/001707
WO-Veröffentlichungsnummer 2006057593
WO-Veröffentlichungsdatum 01.06.2006
Date of publication of WO application in German translation 04.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.10.2007
IPC-Hauptklasse F16C 3/08(2006.01)A, F, I, 20051114, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B21K 1/08(2006.01)A, L, I, 20051114, B, H, DE   B21J 5/02(2006.01)A, L, I, 20051114, B, H, DE   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kurbelwelle und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Kurbelwelle nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 11.

Kurbelwellen von Verbrennungsmotoren werden üblicherweise mittels Gesenkschmieden hergestellt, wobei sich während des Schmiedeverfahrens Poren und Lücken in dem Grundmaterial schließen, was Kurbelwellen mit einer feinkörnigen Kristallstruktur ergibt. Die Kurbelwellen sind außerdem von einer einheitlichen Qualität mit einer guten Kerbschlagzähigkeit und hervorragenden Ermüdungseigenschaften, die es ihnen ermöglichen, verhältnismäßig leichtgewichtig zu sein.

Kurbelwellen umfassen Wellenzapfen, Kurbelzapfen und Wangen, die die Kurbelzapfen mit den Wellenzapfen verbinden. Wenn eine Kurbelwelle in Betrieb ist, sind der abgewinkelte Übergangsbereich zwischen den Wangen und den Kurbelzapfen und der abgewinkelte Übergangsbereich zwischen den Wangen und den Wellenzapfen Biegebelastungen ausgesetzt, die unter anderem zu einer Spannungskonzentration an einem zentral befindlichen Teil des Übergangsbereichs führen. Ein Ermüdungsschaden an Kurbelwellen kann oft von Rissen herrühren, die in dem zentral befindlichen Teil des Übergangsbereichs beginnen. Die größten Biegebelastungen auf eine Kurbelwelle treten in den zuäußerst befindlichen Wangen auf. Es ist demzufolge üblich, dass diese Wangen größer dimensioniert sind als andere Wangen, um die Ermüdungseigenschaften der Kurbelwelle zu verbessern. Eine derartige Lösung führt zu einer Kurbelwelle, die schwerer und regelmäßig auch länger ist.

Ein weniger bekanntes zweites Verfahren zum Verbessern der Ermüdungseigenschaften einer Kurbelwelle besteht darin, die Wangen mit zentral liegenden Ausnehmungen zu versehen. Diese Ausnehmungen schwächen die zentrale Struktur der Wangen mit dem Ergebnis, dass die Biegebelastung, die zwischen den Wangen und den Kurbelzapfen und zwischen den Wangen und den Wellenzapfen übertragen wird, in höherem Maße über die Flanken der Wangen übertragen wird. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Spannungsverteilung in dem Übergangsbereich zwischen Wangen und Kurbelzapfen und in dem Übergangsbereich zwischen Wangen und Wellenzapfen. Es besteht somit ein geringeres Risiko, dass die Kurbelwelle einen Ermüdungsschaden erleidet, während gleichzeitig die Ausnehmungen das Gewicht der Kurbelwelle verringern.

CH 383 083 bezieht sich auf eine Kurbelwelle, deren Wangen mit Ausnehmungen versehen sind. Nachdem die Wellenzapfen, Kurbelzapfen und Wangen der Kurbelwelle mittels eines Schmiedeverfahrens ausgebildet worden sind, werden die Ausnehmungen durch Fräsen und Bohren hergestellt. Das Ausbilden der Teile der Kurbelwelle ist somit mit einer Anzahl von Fertigungsschritten und unterschiedlichen Verfahren verbunden. Die Kosten der Herstellung der Kurbelwelle werden demzufolge hoch sein.

DE 43 25 722 bezieht sich auf eine Kurbelwelle, die mit wannenförmigen Ausnehmungen in den Übergangsbereichen zwischen Wangen und Kurbelzapfen und in den Übergangsbereichen zwischen Wangen und Wellenzapfen versehen ist. Sie gibt eine Anzahl verschiedener Wege an, um die Kurbelwellen und Ausnehmungen auszubilden. Sie führt unter anderem aus, dass eine anfänglich mit Wellenzapfen, Kurbelzapfen und Wangen ausgebildete Kurbelwelle mittels eines Schmiedeverfahrens mit Ausnehmungen versehen werden kann. Demzufolge umfasst das Ausbilden der Kurbelwelle hier wiederum eine Anzahl von Fertigungsschritten. Die Kosten der Herstellung der Kurbelwelle werden demzufolge auch hier hoch sein.

US 4 356 741 bezieht sich auf eine Kurbelwelle, die durch ein Gießverfahren hergestellt wird. Die Kurbelwelle ist mit Ausnehmungen nahe den Teilen der Übergangsbereiche zwischen Wangen und Kurbelzapfen und zwischen Wangen und Wellenzapfen versehen, die einer Spannung ausgesetzt sind. In diesem Fall werden die Wellenzapfen, Kurbelzapfen, Wangen und Ausnehmungen der Kurbelwelle in einem einzigen Fertigungsschritt durch ein Gießverfahren hergestellt. Die Kosten der Herstellung der Kurbelwelle sind demzufolge verhältnismäßig gering, jedoch sind die Festigkeitskennwerte einer gegossenen Kurbelwelle nicht so gut wie die einer geschmiedeten Kurbelwelle. Die Kurbelwelle hat demzufolge wahrscheinlich größere Abmessungen und wird demnach zwangsläufig schwerer als eine entsprechende geschmiedete Kurbelwelle sein.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kurbelwelle bereitzustellen, die verhältnismäßig kostengünstig herzustellen ist, während sie zugleich ein geringes Gewicht hat und gute Festigkeitskennwerte besitzt.

Die vorstehend angegebene Aufgabe wird mit der eingangs erwähnten Kurbelwelle erreicht, die durch das gekennzeichnet ist, was in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben ist. In diesem Fall ist wenigstens eine Wange mit einer Ausnehmung versehen, die eine Ausdehnung bis nahe zu einem Mittelteil eines Übergangsbereichs zwischen der Wange und einem Kurbelzapfen oder eines Übergangsbereichs zwischen der Wange und einem Wellenzapfen besitzt. Die Konzentration von Spannungen an dem Mittelteil des Übergangsbereichs kann durch solch eine Ausnehmung nennenswert reduziert werden. Eine derartig wesentliche Ausnehmung macht die Kurbelwelle auch leichter. In solchen Fällen kann die Ausnehmung eine Form haben, die in einem Gesenkschmiedeverfahren erzeugt werden kann. Es ist somit möglich, Wellenzapfen, Kurbelzapfen, Wangen und die Ausnehmung der Kurbelwelle durch ein gewöhnliches Gesenkschmiedeverfahren in einem Schritt auszubilden. Das Ergebnis ist eine Kurbelwelle, die verhältnismäßig kostengünstig herzustellen ist, während sie zugleich ein geringes Gewicht hat und gute Festigkeitskennwerte besitzt.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt die Ausnehmung eine Ausdehnung in einer radialen Richtung von einer Umfangsöffnung in der Wange zu einer Innenfläche, die sich nahe an dem Mittelteil des Übergangsbereichs befindet. Das Gesenkschmieden wird mittels zweier Stempel durchgeführt, die von entgegengesetzten Seiten eines Grundmaterials gegeneinander gepresst werden. Durch ein Gesenkschmiedeverfahren ist es möglich, Ausnehmungen zu bilden, die eine Ausdehnung parallel zu der Bewegungsrichtung der Stempel haben. Zu diesem Zweck sind die Stempel mit passend geformten Bereichen versehen, die schrittweise in das Grundmaterial eindringen, so dass während des Gesenkschmiedeverfahrens Wangen mit Ausnehmungen ausgebildet werden. Vorteilhaft ist die Ausnehmung mit einer Grundfläche versehen, die eine Ausdehnung zwischen der Umfangsöffnung und der Innenfläche besitzt. Die Ausnehmung kann sich somit in der Wange in einem Bereich befinden, der im Wesentlichen unmittelbar radial außerhalb an dem Mittelteil des abgewinkelten Übergangsbereichs ist. Solch eine Ausnehmung macht die Wangenstruktur in dem Bereich nahe dem Mittelteil definitiv schwächer. Die Spannungskonzentration an dem Mittelteil wird somit effektiv verringert. Die Innenfläche besitzt vorzugsweise eine abgerundete Form, wodurch verhindert wird, dass Spannungen sich an einem bestimmten Teil der Innenfläche konzentrieren.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt die Ausnehmung eine im Wesentlichen gleichbleibende (konstante) oder sich wenigstens teilweise entlang ihrer radialen Ausdehnung zwischen der Umfangsöffnung und der Innenfläche verringernde Querschnittsfläche. Es ist durchaus möglich, Ausnehmungen mit solchen Querschnittsflächen in einem Gesenkschmiedeverfahren herzustellen. Vorteilhaft teilt die Ebene, die in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 definiert ist, die Ausnehmung in zwei im Wesentlichen gleiche Teile. Die Ausnehmung kann somit ziemlich zentral an der Wange positioniert werden. Belastungen in der Wange können demnach im Wesentlichen gleichförmig auf die Flanken der Wange verteilt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Kurbelwelle wenigstens zwei Wangen, die mit Ausnehmungen versehen sind, wobei die Wangen parallel oder in einem Winkel von 180° relativ zueinander ausgerichtet sind. Eine Ausnehmung, die durch einen ersten der Stempel ausgebildet wurde, hat eine Ausdehnung, die parallel zu der selben Richtung und in die selbe Richtung verläuft, wie die Bewegungsrichtung des ersten Stempels während des Gesenkschmiedeverfahrens. Eine Ausnehmung, die durch einen zweiten der Stempel ausgebildet wurde, hat eine Ausdehnung, die parallel zu der selben Richtung und in die selbe Richtung verläuft, wie die Bewegungsrichtung des zweiten Stempels während des Gesenkschmiedeverfahrens. Eine Ausnehmung, die durch den zweiten Stempel ausgebildet wurde, besitzt somit eine entgegengesetzte Ausdehnung bzw. Erstreckung als die einer Ausnehmung, die durch den ersten Stempel ausgebildet wurde. In diesem Fall müssen die Wangen, die mit Ausnehmungen versehen werden, ebenfalls parallel oder in einem Winkel von 180° relativ zueinander ausgerichtet sein, wenn sie während eines Gesenkschmiedeverfahrens mit Ausnehmungen ausgebildet werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt eine Wange eine Umfangsfläche, die Verbindungsmittel zum Anbringen eines Gegengewichts aufweist. Es ist normalerweise nicht möglich, in einem Gesenkschmiedeverfahren eine Wange sowohl mit einer Ausnehmung als auch einem Gegengewicht zu versehen. Es ist jedoch möglich, die Wange mit einer Umfangsfläche zu versehen, die Verbindungsmittel umfasst, z.B. in der Form eines Lochs, um es zu ermöglichen, ein Gegengewicht nachträglich mittels Schrauben oder ähnlichem anzubringen. Vorteilhaft umfasst die Kurbelwelle eine Anzahl von Wangen, wobei wenigstens die Wangen, die sich zuäußerst an der Kurbelwelle befinden, mit Ausnehmungen versehen sind. Wenn eine Kurbelwelle in Betrieb ist, treten die größten Biegebelastungen im Wesentlichen immer in den äußersten Wangen auf. In vielen Fällen kann es demzufolge vorteilhaft sein, dass nur die äußersten Wangen der Kurbelwelle mit Ausnehmungen versehen sind. Dies ist besonders vorteilhaft in dem Fall von Kurbelwellen, die Wangen besitzen, die in vielen verschiedenen Winkeln zueinander stehen. In solchen Fällen können die äußersten Wangen parallel oder in einem Winkel von 180° relativ zueinander ausgerichtet sein, so dass wenigstens diese Wangen während des Gesenkschmiedeverfahrens mit Ausnehmungen versehen werden können.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Kurbelwelle Wellenzapfen mit einem ersten Radius und Kurbelzapfen mit einem zweiten Radius auf, wobei der Gesamtwert des ersten Radius und des zweiten Radius abzüglich 10 mm größer als oder gleich dem senkrechten Abstand zwischen der ersten Mittelachse und der zweiten Mittelachse ist. Versuche, in denen die spannungsvermindernde Funktion der Ausnehmung für unterschiedliche Arten von Kurbelwellen mit variierenden radialen Überlappungen zwischen den Wellenzapfen und Kurbelzapfen gemessen wurden, führten zu der Erkenntnis, dass der spannungsvermindernde Effekt, der durch eine Ausnehmung auf eine Wange weitergegeben wird, verhältnismäßig eng mit dem Ausmaß der radialen Überlappung zusammenhängt. Je kleiner die Überlappung der Wellenzapfen und Kurbelzapfen an einer Kurbelwelle ist, desto größer ist der spannungsvermindernde Effekt, der durch eine Ausnehmung weitergegeben wird. Es gibt einen deutlichen spannungsvermindernden Effekt in dem Fall von Kurbelwellen, die eine Überlappung von 10 mm oder weniger besitzen.

Die vorstehend angegebene Aufgabe wird ebenfalls mit dem eingangs genannten Verfahren erreicht, das durch das gekennzeichnet ist, was in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 11 angegeben ist. Zu diesem Zweck ist es notwendig, dass die Ausnehmung eine Form aufweist, die in einem Gesenkschmiedeverfahren erzeugt werden kann. Mit einer passend geformten Ausnehmung können die Wellenzapfen, Kurbelzapfen, Wangen und die Ausnehmung der Kurbelwelle in einem gewöhnlichen Gesenkschmiedeverfahren in einem Schritt ausgebildet werden. Das Ergebnis ist eine Kurbelwelle die verhältnismäßig kostengünstig herzustellen ist, während sie gleichzeitig ein geringes Gewicht hat und gute Festigkeitskennwerte besitzt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Eine Ausführungsform der Erfindung ist nachfolgend mittels eines Beispiels mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 einen Teil einer Kurbelwelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt,

2 eine Querschnittsansicht der Kurbelwelle in 1 zeigt,

3 einen Teil einer Kurbelwelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt,

4 eine Kurbelwelle für einen Sechszylinder-Verbrennungsmotor zeigt, und

5 ein Kurbelwellenrohteil für einen V-8 Motor zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

1 und 2 zeigen einen Teil einer Kurbelwelle 1 eines Verbrennungsmotors. Die Kurbelwelle 1 weist in konventioneller Weise eine Anzahl von Wellenzapfen 2 auf, die in einem eingebauten Zustand der Kurbelwelle an nicht dargestellten Hauptlagern angeordnet sein sollen. Die Wellenzapfen 2 sind zylinderförmig mit einer Mantelfläche, die sich um eine Mittelachse 3 herum erstreckt, die die Rotationsachse der Kurbelwelle darstellt. Die Kurbelwelle 1 umfasst ebenfalls eine Anzahl von Kurbelzapfen 4, von denen einer in 1 dargestellt ist. Die Kurbelzapfen 4 sind zylinderförmig mit einer Mantelfläche, die sich um eine zweite Mittelachse 5 herum erstreckt. Wangen 6 verbinden die Stirnflächen der Kurbelzapfen 4 mit den gegenüberliegenden Wellenzapfen 2.

Während des Betriebs sind Kurbelwellen 1 großen Belastungen ausgesetzt. Die Belastungen neigen unter anderem dazu, die Kurbelwelle zu biegen, was in Spannungen in dem abgewinkelten Übergangsbereich 7 zwischen Kurbelzapfen 4 und Wangen 6 resultiert. Diese Spannungen konzentrieren sich in dem Fall von konventionellen Kurbelwellen in einem zentral befindlichen Teil 7a. Der zentral befindliche Teil 7a ist in einem Bereich, in dem er von einer zentralen Ebene 8 geschnitten wird, die sich durch die Mittelachse 3 der Wellenzapfen 2 und die Mittelachse 5 des jeweiligen Kurbelzapfens 4 erstreckt. Um die Spannung in dem zentral gelegenen Teil 7a zu verringern, besitzt die erfindungsgemäße Wange 6 eine zentrale Ausnehmung 9, die sich nahe dem zentral befindlichen Teil 7a befindet. Das Vorhandensein einer solchen zentralen Ausnehmung 9 in der Wange 6 führt zu einer Schwächung des Mittelteils der Wange. Die Lasten, die zwischen den Kurbelzapfen 4 und den Wellenzapfen 2 während des Betriebs der Kurbelwelle 1 übertragen werden, werden demnach weitgehend über die Flanken der Wange 6 übertragen. Die Spannungskonzentration an dem zentral befindlichen Teil 7a des Übertragungsbereichs 7 zwischen Wange und Wellenzapfen 4 wird vermindert.

Die Kurbelwelle 1 umfasst Wellenzapfen 2 mit einem ersten Radius r1 und Kurbelzapfen 4 mit einem zweiten Radius r2. Die Mittelachse 3 der Wellenzapfen und die Mittelachse 5 des dargestellten Kurbelzapfens sind in einem senkrechten Abstand d voneinander angeordnet. Wenn die Summe des Radius r1 der Wellenzapfen und des Radius r2 der Kurbelzapfen 4 größer ist als der senkrechte Abstand d zwischen den Mittelachsen 3, 5, überlappen die Wellenzapfen 2 und die Kurbelzapfen 4 einander mehr oder weniger. Der Betrag einer solchen Überlappung kann festgelegt werden. Wenn die Wellenzapfen 2 und die Kurbelzapfen 4 sich nicht gegenseitig überlappen, ist das Ergebnis keine oder eine negative Überlappung. Der spannungsvermindernde Effekt, der auf das Vorsehen einer Wange 6 mit einer zentralen Ausnehmung 9 zurückzuführen ist, steht mit dem Betrag einer Überlappung im Zusammenhang. Versuche haben eine klare Spannungsverminderung in dem zentral befindlichen Teil 7a der Kurbelwellen 1 gezeigt, die eine Überlappung von 10 mm oder weniger besitzen. In dem Falle der Kurbelwelle 1, die in 2 dargestellt ist, besitzen die Wellenzapfen 2 und die Kurbelzapfen 4 eine negative Überlappung. In diesem Falle kann die Spannungskonzentration an dem zentral befindlichen Teil 7a demnach beträchtlich durch die Ausnehmungen 9 verringert werden, die in den Wangen 6 ausgebildet sind.

Die Kurbelwelle 1 wird mittels Gesenkschmieden hergestellt. Gesenkschmieden führt zu einer Kurbelwelle 1 mit sehr guten Festigkeitskennwerten. Gesenkschmieden wird dadurch erreicht, dass ein heißes Grundmaterial zwischen zwei Stempeln (Gesenken) verformt wird, welche mit Höhlungen (Vertiefungen) versehen sind, die dem geschmiedeten Produkt seine Form geben. Produkte mit verhältnismäßig komplexen Formen können durch Gesenkschmieden hergestellt werden. Da die Stempel von entgegengesetzten Seiten des Grundmaterials gegeneinander gepresst werden, unterliegt die Form des geschmiedeten Produkts unweigerlich gewissen Einschränkungen, insbesondere dort, wo Gesenkschmieden in einem Schritt ohne irgendeine dazwischenliegende Neuausrichtung des Grundmaterials erreicht werden soll. Ein Herstellen einer Kurbelwelle durch Gesenkschmieden in einem Schritt ohne eine dazwischenliegende Neuausrichtung des Materials ist selbstverständlich kosteneffizienter.

Wellenzapfen 2, Kurbelzapfen 4 und Wangen 6 mit Ausnehmungen 9 werden somit an der Kurbelwelle 1 während eines Gesenkschmiedeverfahrens ohne eine dazwischenliegende Neuausrichtung des Grundmaterials ausgebildet. Die Kurbelwelle 1 wird aus heißem Grundmaterial hergestellt, das durch zwei Stempel verformt wird, die gegeneinander gepresst werden. Jeder der Stempel umfasst Vertiefungen, die während des Gesenkschmiedeverfahrens im Wesentlichen eine Hälfte der Kurbelwelle 1 ausbilden. Das Ausbilden einer Kurbelwelle mittels eines Gesenkschmiedeverfahrens in einem Schritt, wobei die Kurbelwelle Wangen 6 mit Ausnehmungen 9 umfasst, schließt eine große Anzahl von Erkenntnissen ein. Eine derartige Erkenntnis besteht darin, dass nur Ausnehmungen 9, die zueinander parallele Ausdehnungen besitzen, mittels der zwei Stempel, die gegeneinander gepresst werden, geschmiedet werden können. Dies bedeutet, dass die Ausnehmungen eine Ausdehnung in der selben Richtung oder in genau zueinander gegenüberliegenden Richtung besitzen können. Somit können nur Wangen, die parallel oder in einem Winkel von 180° relativ zueinander ausgerichtet sind, mit Ausnehmungen versehen werden. Es ist demnach möglich, durch geeignet geformte Vertiefungen, die Wangen 6 mit Ausnehmungen 9 zu versehen, die eine Ausdehnung von einer Öffnung 9a in einer Umfangsfläche der Wange 6 zu einer Innenfläche 9b haben, die sich nahe dem Mittelteil 7a des abgewinkelten Übergangsbereichs zwischen der Wange 6 und dem Kurbelzapfen 4 befindet. Die Ausnehmung 9 ist mit einer ebenen Grundfläche 9c versehen, die eine Ausdehnung zwischen der Umfangsöffnung 9a und der Innenfläche 9b besitzt. Die Ausnehmung 9 in 1 und 2 besitzt eine im Wesentlichen in Richtung von der Öffnung 9a zu der Innenfläche 9b gleichbleibende Querschnittsfläche. Die Innenfläche 9b besitzt eine abgerundete Form, um zu vermeiden, dass sich Spannungen an irgendeinem Teil der Innenfläche 9b konzentrieren.

3 zeigt einen Teil einer Kurbelwelle, die eine alternative Anordnung besitzt. In diesem Fall umfasst die Kurbelwelle 1 gleichfalls in einer konventionellen Weise eine Anzahl von Wellenzapfen 2, die zylinderförmig sind mit einer Mantelfläche, die sich um eine erste Mittelachse 3 herum erstreckt, die die Rotationsachse der Kurbelwelle darstellt. Die Kurbelwelle 1 umfasst einen oder mehr Kurbelzapfen 4 von denen einer in 3 gezeigt ist. Die Kurbelzapfen 4 sind zylinderförmig mit einer Mantelfläche, die sich um eine zweite Mittelachse 5 herum erstreckt. Die Kurbelwelle 1 weist Wangen 6 auf, die die Stirnflächen des Kurbelzapfens 4 mit den gegenüberliegenden Stirnflächen der Wellenzapfen 2 verbindet. Die zwei gezeigten Wangen 6 sind mit entsprechend geformten Ausnehmungen 9 versehen. Die Wangen 6 umfassen eine im Wesentlichen ebenen Umfangsfläche 10, die eine Öffnung 9a für die Ausnehmung besitzt. In diesem Fall besitzen die Ausnehmungen 9 eine Querschnittsfläche, die sich in einer Richtung von der Umfangsöffnung 9a zu der Innenfläche 9b verringert, die sich nahe dem Mittelteil 7a des Übergangsbereichs 7 der Wange 6 zu dem Kurbelzapfen 4 befindet. Die Umfangsflächen 10 der Wangen 6 sind ebenfalls mit Löchern 11 versehen, die ausgeführt sind, um es zu ermöglichen, ein Gegengewicht nachträglich an jeder der jeweiligen Wangen 6 mittels Schrauben anzubringen. Es ist schwierig, Wangen 6 mit funktionellen Ausnehmungen 9 zu versehen und Gegengewichte in einem üblichen Gesenkschmiedeverfahren zu befestigen. Demnach ist es vorteilhaft, wenn die Form der Wange 6 derart sein kann, dass sie erlaubt, dass die Gegengewichte nachträglich angebracht werden können.

4 zeigt eine Kurbelwelle 1 für einen Sechszylinder-Verbrennungsmotor. Die größte Biegebelastung im Betrieb von Kurbelwellen 1 tritt in den äußeren Wangen 6' auf, die die äußersten Kurbelzapfen 4' abstützen. Die größte Spannungskonzentration in konventionellen Kurbelwellen tritt in den Mittelteilen 7a des Übertragungsbereichs 7 zwischen den äußersten Wangen 6' und Kurbelzapfen 4' auf. In diesem Fall sind die äußersten Paare Wangen 6' demnach mit zentralen Ausnehmungen 9 versehen, die äußersten Wangen 6' sind jedoch nicht mit Gegengewichten 12 versehen worden. Die dazwischenliegenden Wangen 6 haben eine konventionelle Anordnung mit eingebauten Gegengewichten 12, die während des üblichen Gesenkschmiedeverfahrens ausgebildet wurden. Die äußersten Wangen 6' haben eine parallele Ausrichtung, die es ermöglicht, all die Ausnehmungen 9 in einem üblichen Gesenkschmiedeverfahren auszubilden.

5 zeigt ein Kurbelwellenrohteil 1' das für einen V-8 Motor gedacht ist und während eines Gesenkschmiedeverfahrens in einem Schritt ausgebildet wurde. In diesem Fall versieht das Schmiedeverfahren all die Wangen 6 mit zentralen Ausnehmungen 9, was durch die Wangen 6, die entweder parallel oder in einem Winkel von 180° relativ zueinander ausgerichtet sind, ermöglicht wird. In diesem Fall besitzen die äußersten Wangenpaare 6 eine Umfangsfläche 10 mit Löchern 11 zum Anbringen von Gegengewichten. Jede gewünschte Anzahl von Wangen kann selbstverständlich mit Löchern 11 zum Anbringen von Gegengewichten versehen sein. Um zu ermöglichen, dass ein Kurbelwellenrohling 1' eine endgültige Form besitzt und eine Kurbelwelle in einem V-8 Motor darstellt, kann ein Zwischenteil 1'a des Kurbelwellenrohlings um 90° relativ zu den außenliegenden Endteilen 1'b des Kurbelwellenrohlings 1 gedreht werden. Eine derartige Neuausrichtung des Kurbelwellenrohlings 1 ist durchaus direkt nach dem Gesenkschmiedeverfahren möglich, wenn der Kurbelwellenrohling noch ausreichend heiß ist, um formbar zu sein.

Die Erfindung ist keineswegs auf die beschriebene Ausführungsform begrenzt, sondern kann frei innerhalb der Rahmen der Ansprüchen variiert werden. In der beschriebenen Ausführungsform werden Wangen mit Ausnehmungen nahe einem Mittelteil des Übertragungsbereichs zwischen der Wange und dem Kurbelzapfen versehen. Alternativ oder in Kombination dazu können entsprechend geformte Ausnehmungen in den Wangen nahe einem Mittelteil eines Übergangsbereichs zwischen der Wange und dem Wellenzapfen hergestellt werden.

Zusammenfassung

Kurbelwelle und Verfahren zum Herstellen einer solchen Kurbelwelle Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kurbelwelle und ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Kurbelwelle. Die Kurbelwelle (1) umfasst einen Wellenzapfen (2) mit einer Mantelfläche, die sich um eine erste Mittelachse (3) erstreckt, einen Kurbelzapfen (4) mit einer Mantelfläche, die sich um eine zweite Mittelachse (5) erstreckt, eine Wange (6) die eine Stirnfläche des Wellenzapfens (2) mit einer Stirnfläche des Kurbelzapfens (4) verbindet, und eine Ausnehmung (9) in der Wange (6). Die Ausnehmung (9) besitzt eine Ausdehnung bis nahe zu einem Mittelteil (7a) eines Übergangsbereichs (7) zwischen der Wange (6) und dem Kurbelzapfen (4) oder zwischen der Wange (6) und dem Wellenzapfen (2). Der Mittelteil (7a) wird von einer Ebene (8) geschnitten, die sich über die zwei Achsen (3, 5) erstreckt. Die Ausnehmung (9) wird in einem Gesenkschmiedeverfahren ausgebildet, in dem Kurbelzapfen (4), Wellenzapfen (2) und Wangen (6) der Kurbelwelle ebenfalls ausgebildet werden.


Anspruch[de]
Kurbelwelle, wobei die Kurbelwelle umfasst: einen Wellenzapfen (2) mit einer Mantelfläche, die sich um eine erste Mittelachse (3) erstreckt, einen Kurbelzapfen (4) mit einer Mantelfläche, die sich um eine zweite Mittelachse (5) erstreckt, eine Wange (6), die eine Stirnfläche des Wellenzapfens (2) mit einer Stirnfläche des Kurbelzapfens (4) verbindet, und eine Ausnehmung (9) in der Wange (6), wobei die Ausnehmung (9) eine Ausdehnung bis nahe zu einem Mittelteil (7a) eines Übergangsbereichs (7) zwischen der Wange (6) und dem Kurbelzapfen (4) oder zwischen der Wange (6) und dem Wellenzapfen (2) besitzt, wobei der Mittelteil (7a) von einer Ebene (8) geschnitten wird, die sich durch die zwei Achsen (3, 5) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (9) in einem Gesenkschmiedeverfahren ausgebildet wird, in dem ebenfalls die Kurbelzapfen (4), Wellenzapfen (2) und Wangen (6) der Kurbelwelle ausgebildet werden. Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (9) eine Ausdehnung in radialer Richtung ausgehend von einer Umfangsöffnung (9a) in der Wange (6) zu einer Innenfläche (9b) besitzt, die sich nahe dem Mittelteil (7a) des Übergangsbereichs (7) befindet. Kurbelwelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (9) mit einer Grundfläche (9c) versehen ist, die eine Ausdehnung zwischen der Umfangsöffnung (9a) und der Innenfläche (9b) besitzt. Kurbelwelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche (9b) eine abgerundete Form besitzt. Kurbelwelle nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (9) eine im Wesentlichen gleichbleibende Querschnittsfläche oder eine sich wenigstens teilweise entlang ihrer Ausdehnung von der Umfangsöffnung (9a) zu der Innenfläche (9b) verringernde Querschnittsfläche besitzt. Kurbelwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene (8) die Ausnehmung (9) in zwei im Wesentlichen ähnliche Teile teilt. Kurbelwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (1) wenigstens zwei Wangen (6) mit Ausnehmungen (9) umfasst, wobei die Wangen (6) parallel oder in einem Winkel von 180° zueinander ausgerichtet sind. Kurbelwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wangen (6) eine Umfangsfläche (10) aufweisen, die Verbindungsmittel (11) zum Anbringen eines Gegengewichts (12) aufweist. Kurbelwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle eine Anzahl von Wangen (6) besitzt, wobei wenigstens diejenigen Wangen (6'), die sich zuäußerst an der Kurbelwelle (1) befinden, mit Ausnehmungen (9) ausgestattet sind. Kurbelwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (1) Wellenzapfen (2) mit einem ersten Radius (r1) und Kurbelzapfen (4) mit einem zweiten Radius (r2) umfasst, wobei der Gesamtwert des ersten Radius (r1) und des zweiten Radius (r2) abzüglich 10 mm größer als oder gleich dem senkrechten Abstand zwischen der ersten Mittelachse (3) und der zweiten Mittelachse (5) ist. Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Kurbelwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10 umfasst. Verfahren zum Herstellen einer Kurbelwelle, wobei die Kurbelwelle umfasst: einen Wellenzapfen (2) mit einer Mantelfläche, die sich um eine erste Mittelachse (3) erstreckt, einen Kurbelzapfen (4) mit einer Mantelfläche, die sich um eine zweite Mittelachse (5) erstreckt, eine Wange (6), die eine Stirnfläche des Wellenzapfens (2) mit einer Stirnfläche des Kurbelzapfens (4) verbindet, und eine Ausnehmung (9) in der Wange (6), wobei die Ausnehmung (9) eine Ausdehnung bis nahe zu einem Mittelteil (7a) eines Übergangsbereichs (7) zwischen der Wange (6) und dem Kurbelzapfen (4) oder zwischen der Wange (6) und dem Wellenzapfen (2) besitzt, wobei der Mittelteil (7a) von einer Ebene (8) geschnitten wird, die sich durch die zwei Achsen (3, 5) erstreckt, gekennzeichnet durch den Schritt, die Ausnehmung (9) in einem Gesenkschmiedeverfahren auszubilden, in dem ebenfalls Kurbelzapfen (4), Wellenzapfen (2) und Wangen (6) der Kurbelwelle ausgebildet werden. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch den Schritt, die Wange (6) mit einer Ausnehmung (9) zu versehen, die eine Ausdehnung ausgehend von einer Umfangsöffnung (9a) in der Wange (6) zu einer Innenfläche (9b) besitzt, die sich nahe dem Mittelteil (7a) des Übergangsbereichs (7) befindet. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch den Schritt, die Ausnehmung (9) mit einer Grundfläche zu versehen, die eine Ausdehnung zwischen der Umfangsöffnung (9a) und der Innenfläche (9b) besitzt. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch den Schritt, die Innenfläche (9b) mit einer abgerundeten Form zu versehen. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 15, gekennzeichnet durch den Schritt, die Ausnehmung (9) mit einer im Wesentlichen gleichbleibenden Querschnittsfläche oder einer sich wenigstens teilweise entlang ihrer Ausdehnung zwischen der Umfangsöffnung (9a) und der Innenfläche (9b) verringernden Querschnittsfläche zu versehen. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 16, gekennzeichnet durch den Schritt, eine Ausnehmung auszubilden, die durch die Ebene (8) in zwei im Wesentlichen gleiche Teile geteilt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 17, gekennzeichnet durch den Schritt, die Wangen (6) mit Ausnehmungen (9) zu versehen, die parallel oder in einem Winkel von 180° zueinander ausgerichtet sind. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 18, gekennzeichnet durch den Schritt, die Wangen (6) mit einer Umfangsfläche (10) zu versehen, die Verbindungsmittel (11) zum Anbringen eines Gegengewichts (12) aufweist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 19, gekennzeichnet in Fällen, in denen die Kurbelwelle (1) eine Anzahl von Wangen (6) umfasst, durch den Schritt, wenigstens die Wangen (6') mit Ausnehmungen (9) zu versehen, die sich zuäußerst an der Kurbelwelle befinden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 20, gekennzeichnet durch den Schritt, eine Kurbelwelle (1) herzustellen, die Wellenzapfen (2) mit einem ersten Radius (r1) und Kurbelzapfen (4) mit einem zweiten Radius (r2) umfasst, wobei der Gesamtwert des ersten Radius (r1) und des zweiten Radius (r2) abzüglich 10 mm größer als oder gleich dem senkrechten Abstand zwischen der ersten Mittelachse (3) und der zweiten Mittelachse (5) ist.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com