Kurbelwelle

Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle umfassend eine Anzahl von Einzelsegmenten, wobei jedes Einzelsegment eine Kurbelwange mit einem Hauptlagerzapfenabschnitt und einem Pleuellagerzapfenabschnitt umfasst, wobei die Lagerzapfenabschnitte jeweils als ein einen Hohlraum umschließender Rohrabschnitt ausgebildet sind, wobei jeweils benachbart angeordnete Einzelsegmente über die Stirnflachen ihrer einander zugewandten Lagerzapfenabschnitte unter Ausbildung von Hauptlagerzapfen und Pleuellagerzapfen gegeneinander gefugt sind, wobei wenigstens ein Einzelsegment einen im wesentlichen gradlinig ausgebildeten Olkanal umfasst, welcher durch die Kurbelwange und durch in den von den Lagerzapfenabschnitten umschlossenen Hohlräumen jeweils vorgesehenes Zusatzmaterial verlauft und an der jeweiligen Außenflache der Lagerzapfenabschnitte mundet. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kurbelwelle.

Aus Einzelsegmente zusammengesetzte Kurbelwellen sind seit Jahrzehnten aus dem Stand der Technik bekannt. So ist in der DE 198 38 225 B4 eine aus einer Anzahl von Einzelsegmenten bestehende, geschweißte Kurbelwelle bekannt, bei der in jedem zweiten Einzelsegment ein Olkanal in axialer Richtung der Kurbelwelle durch den Uberlappungsbereich von Hauptlager und Pleuellagerzapfen verlauft. Von dem Olkanal gehen jeweils zwei radial verlaufende Bohrungen ab, die den Olkanal mit der jeweiligen Außenflache der Lagerzapfen verbindet. Durch diese Gestaltung der in den Einzelsegmenten vorgesehenen

Olkanale kann bereits eine befriedigende Schmierung von Hauptlager und Pleuellager im Betrieb der Kurbelwelle erreicht werden. Allerdings erfordert die vorstehend beschriebene Konfiguration, dass sich die Hauptlager- und Pleuellagerzapfen der Kurbelwelle radial überlappen, so dass der Kurbelwellenhub begrenzt ist.

Dieser Nachteil wird durch die in der EP 0 090 013 Bl beschriebene Kurbelwelle überwunden. Diese ist ebenfalls aus einer Anzahl von Einzelsegmenten zusammengesetzt, wobei jedes zweite Einzelsegment verlängerte Hauptlager und Pleuellagerzapfenabschnitte aufweist. In diesen Einzelsegmenten ist jeweils ein Olkanal vorgesehen, der gemäß einer ersten Ausfuhrungsform als ein geradlinig geformtes Rohrchen ausgebildet ist, welches durch eine Bohrung in der Kurbelwange und durch die von den Lagerzapfenabschnitten umschlossenen Hohlräumen verlauft und an den jeweiligen Außenflachen der Lagerzapfenabschnitte mundet. Der besondere Nachteil dieser Ausfuhrungsform liegt darin, dass mit den Rohrchen weitere Einzelteile erforderlich sind, welche in einem gesonderten Fertigungsschritt mit den Einzelsegmenten verbunden werden müssen und gerade im Betrieb mit hoher Drehzahl besonderen Belastungen ausgesetzt sind. In einer weiteren Ausfuhrungsform ist in jedem zweiten Einzelsegment ein ebenfalls geradlinig geformter Olkanal vorgesehen, welcher durch die Kurbelwange des Einzelsegmentes und durch Flansche verlauft, die in den von den Lagerzapfenabschnitten jeweils umschlossenen Hohlräumen vorgesehen sind. Der Nachteil an dieser Ausfuhrungsform ist, dass durch die vergleichsweise voluminösen Flansche große Bereiche der Hohlräume wieder mit Material ausgefüllt sind, so dass die durch die hohl

ausgeführten Lagerzapfenabschnitte erzielte Gewichtseinsparung nur gering ausfallt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kurbelwelle anzugeben, die eine zuverlässige und gleichmaßige Olschmierung der Hauptlager und der Pleuellager ermöglicht. Ferner soll die Kurbelwelle einfach gestaltet sein und gleichzeitig ein minimales Eigengewicht aufweisen .

Die Aufgabe wird erfindungsgemaß mit einer Kurbelwelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch gelost, dass das Zusatzmaterial in den von den Lagerzapfenabschnitten umschlossenen Hohlräumen derart angeordnet ist, dass der Olkanal in axialer Richtung der Kurbelwelle gesehen winklig zur Symmetrieebene des Einzelsegmentes verlauft.

Durch die erfindungsgemaß vorgesehene Anordnung des Olkanals außerhalb der Symmetrieebene des Einzelsegmentes kann der relative Langenanteil des Olkanals, welcher sich durch die von den Lagerzapfenabschnitten umschlossenen Hohlräume erstreckt, wirksam reduziert werden. Dies hat wiederum zur Folge, dass nur eine vergleichsweise geringe Menge Zusatzmaterial benotigt wird, um den Olkanal in diesem Bereich zu umschließen, wodurch sich eine im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Kurbelwellen weitere Gewichtseinsparung ergibt. Ferner kann durch die variabel festzulegende Position des Olkanals relativ zur Symmetrieebene des Kurbelwelleneinzelsegmentes und damit durch die entsprechend variabel festzulegenden Austrittspunkte des Olkanals auf den Außenflachen der Lagerzapfenabschnitte

die Schmierung der Lager optimiert werden. Insbesondere können die Mundungen des Olkanals ohne weiteres so gelegt werden, dass sie nicht im Bereich des höchsten Schmierfilmdruckes liegen.

Die Einzelsegmente der erfindungsgemaßen Kurbelwelle können auf verschiedene Weise an den Stirnflachen ihrer jeweiligen Lagerzapfenabschnitte gegeneinander gefugt werden. Zweckmaßigerweise werden jeweils benachbart angeordnete Einzelelemente miteinander verschweißt, vorzugsweise durch Reibschweißen.

Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das in den Hohlräumen der Lagerzapfenabschnitte jeweils vorgesehene Zusatzmaterial an die Kurbelwange und/oder die Innenflache der Lagerzapfenabschnitte des wenigstens einen Einzelsegments angeschmiedet ist. Dies hat den Vorteil, dass das Einzelsegment und das in den Hohlräumen der Lagerzapfenabschnitte vorgesehene Zusatzmaterial in einem einzigen Fertigungsschritt geschmiedet werden können, was die Produktionskosten erheblich senkt. Vorzugsweise ist dazu die Geometrie des Zusatzmaterials in die Gravur des beim Schmieden jeweils verwendeten Gesenks direkt integriert .

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Einzelsegmente in dem von dem Hauptlagerzapfenabschnitt umschlossenen Hohlraum und/oder in dem von dem Pleuellagerzapfenabschnitt umschlossenen Hohlraum eine Verstärkung auf. Mit einer solchen Verstärkung kann bei nur geringem zusatzlichen Gewicht der Gesamtkonstruktion die mechanische Festigkeit der Kurbelwelle signifikant erhöht werden. Besonders

vorteilhaft ist es, wenn die in dem jeweiligen Hohlraum der gegeneinander gefugten Lagerzapfenabschnitte angeordneten Verstärkungen derart dimensioniert sind, dass sie eine zusatzliche Fugeflache bilden. Dies bedeutet, dass jeweils benachbart angeordnete Einzelsegmente nicht nur an der ringförmigen Stirnflache ihrer Lagerzapfenabschnitte, sondern auch über die in den Hohlräumen vorgesehenen Verstärkungen gegeneinander gefugt sind. Durch die entsprechend vergrößerte Fugeflache kann die Festigkeit der Kurbelwelle und die Stabilität der Fugeverbindung weiter erhöht werden. Dabei kann es sinnvoll sein, dass die zusatzliche Fugeflache außerhalb der durch die Stirnflachen der Lagerzapfenabschnitte gebildeten Fugeebene liegt, um ungehindert eine Schweißnaht- bzw. Schweißwulstausbildung beim Schweißen, insbesondere Reibschweißen sicherzustellen .

Nach einer weiteren vorteilhaften Lehre der Erfindung weisen die zu dem wenigstens einen Einzelsegment benachbart angeordneten Einzelsegmente im Vergleich zu dem wenigstens einen Einzelsegment kürzere Lagerzapfenabschnitte auf, so dass die Fugeebene bezogen auf die Langserstreckung des jeweils gebildeten Lagerzapfens außermittig angeordnet ist. Diese axial asymmetrische Lage der ringförmigen Fugenaht ist unkritisch bezogen auf die Belastungseinflusszone der Hohlkehle im übergang von Lagerlaufflache zur Wandung der Kurbelwange. Durch die bezuglich der Lagermitte versetzte Fugenaht ist es möglich, dass der Olkanal jeweils in der Mitte der Haupt- und Pleuellagerzapfen mundet. Hierdurch wird eine besonders gleichmaßige Olschmierung über die gesamte Breite des Lagerzapfens erreicht. Ferner ist es zweckmäßig, dass der Olkanal auf der Fliehkraftaußenseite

des Pleuellagerzapfens mundet, womit eine konventionell gerichtete Olzufuhrung entlang der Fliehkraft mit angemessener Schmierung sichergestellt wird.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der durch die Kurbelwange und das in den Hohlräumen der Lagerzapfenabschnitte angeordnete Zusatzmaterial verlaufende Olkanal vollständig gegenüber den Hohlräumen abgedichtet ist. Somit ist der in dem Olkanal erzielte wirksame Olfluss vollständig ohne Kontakt zu den Hohlräumen oder Fugeflachen und somit frei von kontaminierenden Restpartikeln, die aus dem Fugeprozess resultieren können .

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches eine schnelle und kostengünstige Fertigung der Kurbelwelle gemäß einem der Ansprüche 1 - 9 ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß mit einem Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle gemäß einem der Ansprüche 1 - 9 gelost welches durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:

Fertigen der Einzelsegmente durch Flachschmieden, Fertigen des wenigstens einen Einzelsegments durch Flachschmieden und Anschmieden des Zusatzmaterials an die Kurbelwange in den von dem Hauptlagerzapfenabschnitt und dem Pleuellagerzapfenabschnitt umschlossenen Hohlräumen,

Fugen der Einzelsegmente über die jeweilige Stirnflache ihrer Hauptlagerzapfenabschnitte und Pleuellagerzapfenabschnitte .

Bohren des Olkanals durch die Kurbelwange des wenigstens einen Einzelsegments und das an die Kurbelwange angeschmiedete Zusatzmaterial, derart, dass der Olkanal winklig zur Symmetrieebene des Einzelsegmentes verlauft.

Das erfindungsgemaß vorgesehene modulare Zusammenfugen der Einzelsegmente bietet die Möglichkeit einer variablen Designmodifikation der Kurbelwelle in Abhängigkeit von Beanspruchung sowie Zylinderzahl, Einbaulange, Freigangen, Pleuellager- und Gegengewichtspositionierung. Das erfindungsgemaß vorgesehene Flachschmieden der Einzelsegmente bietet dabei ein hohes Maß an Reproduzierbarkeit und Prozesssicherheit.

Grundsatzlich ist es zwar möglich, die beiden letzten Verfahrensschritte „Fugen der Einzelsegmente" und „Bohren des Olkanals" in umgekehrter Reihenfolge durchzufuhren. Die beschriebene erste Alternative wird aber aus mehreren Gründen bevorzugt. Die Herstellung separater Olkanalbohrungen in den Einzelsegmenten ist aufwendiger. Die Bohrungen lassen sich auch nicht mit den Bohrvorrichtungen herkömmlicher Produktionsanlagen herstellen sondern nur in dafür vorzusehenden neuen Bohrvorrichtungen. Hinzu kommt, dass bei der Herstellung von Einzelbohrungen hohe Genauigkeits- und Toleranzanforderungen erfüllt werden müssen, weil sonst nach dem Fugen der Einzelsegmente hohe Genauigkeitsanforderungen erfüllende, durchgangige Bohrungen nicht hergestellt werden können.

Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemaßen Verfahrens erfolgt das Flachschmieden des wenigstens einen Einzelsegments und das Anschmieden

des Zusatzmaterials in einem Arbeitsschritt. Hierzu ist die Geometrie des angeschmiedeten Zusatzmaterials in die Gesenkgravur des Schmiedewerkzeugs direkt integriert. Durch das Flachschmieden des Einzelsegments und das Anschmieden des Zusatzmaterials in einem gemeinsamen Arbeitsschritt wird die Anzahl der erforderlichen Prozessschritte zur Herstellung der Kurbelwelle weiter reduziert, wodurch sich Produktionskosten senken lassen.

Vorzugsweise erfolgt das Bohren des Olkanals durch die Kurbelwange und das in den Hohlräumen der Lagerzapfenabschnitte vorgesehene Zusatzmaterial durch Tieflochbohren . Beim Tieflochbohren kann verfahrensbedingt ein sehr großes Verhältnis von Bohrtiefe zu Durchmesser erreicht werden, wobei eine gute Oberflachenqualitat erzielt wird und ein Entspanen entfallen kann. Hierdurch wird die Gefahr minimiert, dass in den Olkanalen verbleibende Bohrspane mit dem Olfluss zu den Haupt- oder Pleuellagern transportiert werden und diese beschädigen.

Schließlich ist nach einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass die Zapfenabschnitte der Einzelsegmente zumindest teilweise mit definiertem Axialaufmaß gefertigt werden. Hierdurch können prozessspezifische axiale Langenanderungen wahrend des Fugens problemlos kompensiert werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausfuhrungsbeispiele darstellenden Zeichnung naher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Einzelsegment der erfindungsgemaßen

Kurbelwelle in Seitenansicht mit eingezeichnetem Olkanal,

Fig. 2 das Einzelsegment aus Fig. 1 mit eingezeichnetem Olkanal in Vorderansicht,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch das Einzelsegment aus Fig. 1,

Fig. 4 einen Querschnitt durch das Einzelsegment aus

Fig. 1 entlang der Schnittlinie A-A aus Fig. 3,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch zwei über ihre

Pleuellagerzapfenabschnitte gegeneinander gefugte Einzelsegmente,

Fig. 6 einen Längsschnitt durch drei gegeneinander gefugte Einzelsegmente mit in den jeweiligen Hauptlager- und Pleuellagerzapfenabschnitten vorgesehenen Verstärkungen,

Fig. 7 ein Gesenkwerkzeug zum Flachschmieden eines Einzelsegmentes mit darüber positioniertem vorgewalztem Materialrohling im Längsschnitt und

Fig. 8 ein Einzelsegment einer aus dem Stand der

Technik bekannten Kurbelwelle in Vorderansicht.

Das in Fig. 1 dargestellte Einzelsegment 1 der erfindungsgemaßen Kurbelwelle umfasst eine Kurbelwange 2 mit Gegengewicht 2a, einen an die Kurbelwange 2 angeformten Hauptlagerzapfenabschnitt 3 sowie einen an die Kurbelwange 2 angeformten Pleuellagerzapfenabschnitt

4, wobei der Hauptlager- und der

Pleuellagerzapfenabschnitt 3, 4 radial zueinander versetzt auf gegenüberliegenden Seiten der Kurbelwange 2 angeordnet sind. Der Hauptlagerzapfenabschnitt 3 sowie der Pleuellagerzapfenabschnitt 4 sind als Rohrabschnitte ausgebildet und umschließen jeweils einen Hohlraum 3a, 4a. In den Hohlräumen 3a, 4a ist jeweils Zusatzmaterial 3b, 4b vorgesehen, welches an die Kurbelwange 2 und an die jeweilige Innenflache der Lagerzapfenabschnitte 3, 4 jeweils angeschmiedet ist.

Das Einzelsegment 1 umfasst ferner einen im wesentlichen gradlinig geformten Olkanal 5, welcher durch die Kurbelwange 2 des Einzelsegments 1 und durch das in den von den Lagerzapfenabschnitten 3, 4 umschlossenen Hohlräumen 3a, 4a jeweils vorgesehene Zusatzmaterial 3b, 4b verlauft und an der jeweiligen Außenflache der Lagerzapfenabschnitte 3, 4 mundet. Erfindungsgemaß ist das Zusatzmaterial 3b, 4b in den Hohlräumen 3a, 4a derart angeordnet, dass der Olkanal 5 winklig zur Symmetrieebene des Einzelsegmentes 1 verlauft. Durch die erfindungsgemaß gewählte raumliche Anordnung des Olkanals 5 kann der sich durch die Hohlräume 3a, 4a der Lagerzapfenabschnitte 3, 4 erstreckende Langenanteil des Olkanals 5 reduziert werden, was zu einer Gewichtseinsparung fuhrt, da auch die Menge des den Olkanal 5 in den Hohlräumen 3a, 4a umschließenden Zusatzmaterials 3b, 4b im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Kurbelwellen (vgl. Fig. 8) entsprechend reduziert werden kann. Vorzugsweise ist das Zusatzmaterial derart ausgebildet, dass der Olkanal 5 vollständig gegenüber den Hohlräumen 3a, 4a abgedichtet ist .

In Fig. 3 ist das Einzelsegment 1 der erfindungsgemaßen Kurbelwelle im Längsschnitt dargestellt, wobei der Längsschnitt durch die Symmetrieebene des Einzelsegmentes 1 verlauft. Die winklige Anordnung des Olkanals 5 relativ zur Symmetrieebene des Einzelsegmentes 1 ist in dieser Ansicht dadurch erkennbar, dass der Olkanal (5) die Symmetrieebene in einem Punkt 5* durchstoßt, wobei der Querschnitt des Olkanals 5 an dem Durchstoßungspunkt (5*) entsprechend ellipsenformig ausgebildet ist. Wie in der Querschnittansicht der Fig. 4 deutlich erkennbar, ist das in dem Hohlraum 3a des Hauptlagerzapfenabschnittes 3 angeordnete Zusatzmaterial 3b als an die Innenflache des Hauptlagerzapfenabschnittes 3 und an die Kurbelwange 2 angeschmiedeter Materialvorsprung ausgebildet. Der winklig zur Symmetrieebene des Einzelsegmentes 1 verlaufende Olkanal 5 ist an seinem Durchstoßungspunkt 5** durch die Schnittebene A-A ebenfalls als Ellipsenflache sichtbar.

In Fig. 5 ist eine Kröpfung der erfindungsgemaßen Kurbelwelle bestehend aus zwei benachbarten Einzelsegmenten 1, 1' dargestellt, die über die Stirnflachen ihrer Pleuellagerzapfenabschnitte 4, 4' vorzugsweise durch Schweißen gegeneinander gefugt sind. Wie in Fig. 5 deutlich erkennbar ist, weist das zum Einzelsegment 1 benachbart angeordnete und mit dem Einzelsegment 1 verschweißte Einzelsegment 1' im Vergleich zum Einzelsegment 1 kürzere

Lagerzapfenabschnitte 3', 4' auf, so dass die Fugeebene 4* bezogen auf die Langserstreckung des aus den Pleuellagerzapfenabschnitten 4, 4' gebildeten Pleuellagerzapfens 40 außermittig angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, dass der Olkanal (5) in der Mitte des Pleuellagerzapfens 40 mundet (nicht sichtbar in Fig. 5),

wodurch eine besonders gleichmaßige Olschmierung über die gesamte Breite des Pleuellagerzapfens 40 erreicht wird. Vorliegend ist der Olkanal 5 ferner derart angeordnet, dass er auf der Fliehkraftaußenseite des Pleuellagerzapfens 40 mundet.

In Fig. 6 sind insgesamt drei gegeneinander gefugte Einzelsegmente 1, 1', 1 dargestellt, wobei das mittig angeordnete Einzelsegment 1' jeweils über seinen Pleuellagerzapfenabschnitt 4' und seinen Hauptlagerzapfenabschnitt 3' mit den benachbart angeordneten, zueinander identisch ausgebildeten Einzelsegmenten 1 verbunden ist. Die Besonderheit der in Fig. 6 dargestellten Ausfuhrungsform besteht darin, dass die Einzelsegmente 1, 1' in dem von den Hauptlagerzapfenabschnitten 3, 3' und den

Pleuellagerzapfenabschnitten 4, 4' jeweils umschlossenen Hohlräumen jeweils eine Verstärkung 3c, 3c', 4c, 4c' aufweisen. Mit den Verstärkungen 3c, 3c', 4c, 4c' kann bei nur geringem zusatzlichen Gewicht die mechanische Festigkeit der Kurbelwelle signifikant erhöht werden. Vorliegend sind die Verstärkungen 3c, 3c' , 4c, 4c' derart dimensioniert, dass sie zusatzliche Fugeflachen bilden, die vorliegend in den Fugeebenen 3*, 4* liegen. Erfindungsgemaß können die Verstärkungen 3c, 3c' , 4c, 4c' jedoch auch derart dimensioniert sein, dass die zusatzlichen Fugeflachen außerhalb der durch die Stirnflachen der Lagerzapfenabschnitte 3, 3', 4, 4' gebildeten Fugeebenen 3*, 4* liegen. Dies hat den Vorteil, dass sich die Schweißnaht bzw. Schweißwulst beim Reibschweißen ungehindert ausbilden kann. Denn die Schweißnahte bzw. Schweißwulste der unterschiedlichen Fugeflachen können dann nicht miteinander in Kontakt treten und sich behindern.

In Fig. 7 ist ein Gesenkwerkzeug zum Flachschmieden eines Einzelsegmentes mit angeschmiedeten Zusatzmaterial im Längsschnitt dargestellt. Zusätzlich ist ein auf dem Gesenkwerkzeug 6 aufliegender, vorgewalzter Materialrohling 7 mit definierter Massenvorverteilung dargestellt. Durch die vorliegend gewählte Gestaltung der Gravur des Gesenkwerkzeuges 6 mit entsprechenden Ausnehmungen 300, 300b für den Hauptlagerzapfenabschnitt und das im Hohlraum des Hauptlagerzapfenabschnittes vorgesehene Zusatzmaterial ist das Anschmieden des Zusatzmaterials in den Flachschmiedeprozess des Einzelsegmentes direkt integriert. Der vorgeformte Materialrohling 7, der für den Flachschmiedeprozess zwischen das Ober- und Untergesenkwerkzeug eingebracht wird, verbessert den Materialfluss innerhalb der Gravur und gewährleistet eine vollständige Ausfüllung der Aussparungen 300, 300b.