DE102019132604A1

DE102019132604A1 - Kurbelwellenanordnung mit schmierungsschema

Info

Publication number: DE102019132604A1
Application number: DE102019132604.4A
Authority: DE
Inventors: Dale E. Murrish; Luke Luehr; Scott A. Hucker; Varoon Shankar; Jeremy T. Demarest
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2019-01-02
Filing date: 2019-12-02
Publication date: 2020-07-02
Also published as: US11143066B2; CN111396442B; US20200208548A1; CN111396442A

Abstract

Eine Kurbelwellenanordnung für ein Fahrzeug, ein Verfahren zum Betreiben einer Kurbelwellenanordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Kurbelwellenanordnung. Die Kurbelwellenanordnung beinhaltet eine Kurbelwelle, einen ersten Bolzenlagerzapfen und einen Hauptzapfen, einen Ölkanal mit einer Hauptkanalwand, wobei sich der Ölkanal vom ersten Bolzenlagerzapfen zum oder durch den Hauptlagerzapfen erstreckt, ein Kurbelzapfenaustrittsloch in der Hauptkanalwand und ein Sperrelement in dem Ölkanal angeordnet ist, wobei sich das Sperrelement in einer radial äußeren Position in Bezug auf das Kurbelzapfenaustrittsloch befindet.

Description

EINFÜHRUNG
Das Gebiet der Technik bezieht sich im Allgemeinen auf Kurbelwellenanordnungen für Fahrzeuge und insbesondere auf Kurbelwellenanordnungsdurchführungen und Herstellungsverfahren.
Ein geeignetes Schmierungsschema für die verschiedenen Lager einer Fahrzeugkurbelwellenanordnung kann dazu beitragen, die Wahrscheinlichkeit von Lagerausfällen zu verringern. Dementsprechend kann ein robusteres Schmierungsschema von Vorteil sein, da die Bereitstellung von mehr Öl für die Stangen in Szenarien wie zum Beispiel wenn das Fahrzeug nach dem Stopp wieder gestartet wird, helfen kann.
BESCHREIBUNG
Gemäß einer Ausführungsform ist eine Kurbelwellenanordnung für ein Fahrzeug vorgesehen, umfassend: eine Kurbelwelle; einen ersten Bolzenlagerzapfen; einen Hauptlagerzapfen; einen Ölkanal mit einer Hauptkanalwand, wobei sich der Ölkanal von dem ersten Bolzenlagerzapfen zu dem oder durch den Hauptlagerzapfen erstreckt; ein Kurbelzapfenaustrittsloch, das in der Hauptkanalwand angeordnet ist; und ein Sperrelement, das in dem Ölkanal angeordnet ist, wobei das Sperrelement in einer radial äußeren Position in Bezug auf das Kurbelzapfenaustrittsloch angeordnet ist.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen kann diese Anordnung ferner eines der folgenden Merkmale oder eine technisch mögliche Kombination dieser Merkmale beinhalten:

• der Ölkanal erstreckt sich von einer Außenfläche des ersten Bolzenlagerzapfens durch den Hauptlagerzapfen zu einer Außenfläche eines zweiten Bolzenlagerzapfens;
• der Ölkanal beinhaltet einen erweiterten Ausgangsabschnitt am ersten Bolzenlagerzapfen und einen Kanalabschnitt, der radial innerhalb in Bezug auf den erweiterten Ausgangsabschnitt am ersten Bolzenlagerzapfen angeordnet ist;
• ein Durchmesser des erweiterten Ausgangsabschnitts ist größer als ein Durchmesser des Kanalabschnitts;
• ein Durchmesser des Kurbelzapfenaustrittslochs ist kleiner als der Durchmesser des Kanalab schnitts;
• das Sperrelement ist konfiguriert, um Öl aus dem Kurbelzapfenaustrittsloch und dem Kanalabschnitt gegen das Ausströmen aus dem erweiterten Ausgangsabschnitt zu blockieren;
• einen zweiten erweiterten Ausgangsabschnitt an dem zweiten Bolzenlagerzapfen;
• das Sperrelement ist ein Absperrventil, das zumindest teilweise an einem gestuften Übergangsabschnitt zwischen dem erweiterten Ausgangsabschnitt und dem Kanalabschnitt sitzt;
• das Absperrventil ist eine federbelastete Rückschlagkugel, ein Lamellenventil oder ein Rückschlagventil;
• ein zweites Sperrelement, das sich in einer radial äußeren Position in Bezug auf das Kurbelzapfenaustrittsloch befindet;
• das Sperrelement ist eine Kugel und das zweite Sperrelement ist ein Puckkernstopfen oder ein Topfkernstopfen;
• das Sperrelement ist ein Puckkernstopfen oder ein Topfkernstopfen;
• ein zweites Sperrelement, das sich in einer radial inneren Position in Bezug auf das Kurbelzapfenaustrittsloch befindet;
• der Ölkanal beinhaltet einen erweiterten Innenabschnitt entlang eines Kanalabschnitts;
• der erweiterte Innenabschnitt ist radial innen in Bezug auf das Kurbelzapfenaustrittsloch angeordnet;
• ein Durchmesser des erweiterten Innenabschnitts ist größer als ein Durchmesser des Kanalabschnitts;
• das Kurbelzapfenaustrittsloch ist konzentrisch zu einem im Querschnitt abgerundeten Umfang des erweiterten Innenabschnitts; und/oder

Gemäß einer Ausführungsform ist eine Kurbelwellenanordnung für ein Fahrzeug vorgesehen, umfassend: eine Kurbelwelle; einen ersten Bolzenlagerzapfen und einen zweiten Bolzenlagerzapfen; einen Hauptlagerzapfen, der zumindest teilweise zwischen dem ersten Bolzenlagerzapfen und dem zweiten Bolzenlagerzapfen konfiguriert ist; einen Ölkanal mit einer Hauptkanalwand, einem erweiterten Ausgangsabschnitt, einem Kanalabschnitt und einem erweiterten Innenabschnitt; ein Sperrelement im Ölkanal; und ein mit der Hauptkanalwand verbundenes Kurbelzapfenaustrittsloch, wobei der erweiterte Innenabschnitt radial innen in Bezug auf das Kurbelzapfenaustrittsloch angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zum Herstellen der Kurbelwellenanordnung vorgesehen, umfassend den Schritt des Haltens von mindestens 30 Vol.-% Öl zwischen dem Sperrelement und einem zweiten Sperrelement.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine Kurbelwellenanordnung für ein Fahrzeug vorgesehen, die umfasst: eine Kurbelwelle; einen ersten Bolzenlagerzapfen; einen Hauptlagerzapfen; einen Ölkanal mit einer Hauptkanalwand, einem erweiterten Ausgangsabschnitt, einem Kanalabschnitt und einem gestuften Übergangsabschnitt zwischen dem erweiterten Ausgangsabschnitt und dem Kanalabschnitt; und ein Kurbelzapfenaustrittsloch, das mit der Hauptkanalwand verbunden ist, wobei das Kurbelzapfenaustrittsloch zwischen dem erweiterten Ausgangsabschnitt und dem Kanalabschnitt in dem gestuften Übergangsabschnitt angeordnet ist.
Figurenliste
Bevorzugte exemplarische Ausführungsformen werden im Folgenden in Verbindung mit den angehängten Zeichnungen beschrieben, wobei ähnliche Bezugszeichen ähnliche Elemente bezeichnen und wobei:

1 ist eine Querschnittsansicht einer Kurbelwellenanordnung mit Ölkanälen gemäß einer Ausführungsform;
2 zeigt einen Ölkanal in einem Bolzenlagerzapfen gemäß einer Ausführungsform;
3 zeigt einen Ölkanal in einem Bolzenlagerzapfen gemäß einer weiteren Ausführungsform;
4 zeigt einen Ölkanal in einem Bolzenlagerzapfen gemäß einer weiteren Ausführungsform;
5 zeigt einen Ölkanal in einem Bolzenlagerzapfen gemäß einer weiteren Ausführungsform;
6 zeigt einen Ölkanal in einem Bolzenlagerzapfen gemäß einer weiteren Ausführungsform;
7 zeigt einen Ölkanal in einem Bolzenlagerzapfen gemäß einer weiteren Ausführungsform;
8 zeigt einen Halter, der mit dem Ölkanal und dem Bolzenlagerzapfen von 7 verwendet werden kann,
9 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Halters, der mit dem Ölkanal und dem Bolzenlagerzapfen von 7 verwendet werden kann; und
10 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Sperrelements, das in einem Ölkanal eines Bolzenlagerzapfens verwendet werden könnte.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die hierin beschriebene Anordnung, das Herstellungs- und Betriebsverfahren beziehen sich auf Kurbelwellenölkanäle. Der Ölkanal ist konfiguriert, um ein oder mehrere Kurbelzapfenlöcher und/oder ein oder mehrere Sperrelemente aufzunehmen, die speziell angeordnet sind, um das Vorbereiten und Schmieren der verschiedenen Lager der Kurbelwelle zu erleichtern. Darüber hinaus kann der Ölkanal verschiedene erweiterte Abschnitte aufweisen, die den Fluidstrom beeinflussen, und auch das Gewicht der Kurbelwellenbaugruppe verringern können, was insbesondere bei der Konstruktion von Automobilprodukten von Vorteil ist. Das Volumen und die Konfiguration des Ölkanals können jedoch angesichts der für eine einwandfreie Kurbelwellenleistung erforderlichen Belastbarkeit begrenzt sein. Anders ausgedrückt, sollten die Bereiche der Kurbelwelle eine ausreichende Dicke aufweisen, damit die Kurbelwelle die auferlegten Spannungen ausreichend aufnehmen kann. Die vorliegend offenbarten Ausführungsformen der Kurbelwellenanordnung helfen, diese Interessen auszugleichen und ermöglichen gleichzeitig ein verbessertes Schmierungsschema.
1 veranschaulicht eine Kurbelwellenanordnung 10. Die Kurbelwellenanordnung 10 beinhaltet die Kurbelwelle 12, die sich im Allgemeinen entlang einer Längsachse 14 erstreckt. Die Kurbelwelle 12 definiert eine Vielzahl von Hauptlagerzapfen 16, eine Vielzahl von Bolzenlagerzapfen 18, eine Vielzahl von Armen 20, die sich zwischen den Hauptlagerzapfen und den Bolzenlagerzapfen erstrecken, und mindestens ein Gegengewicht 22. Wie im Folgenden näher ausgeführt, beinhaltet die Kurbelwellenanordnung 10 einen oder mehrere speziell konfigurierte Ölkanäle 24, die eine ordnungsgemäße Schmierung der Lager (nicht dargestellt) an den Hauptlagerzapfen 16 und/oder den Bolzenlagerzapfen 18 ermöglichen.
Die Hauptlagerzapfen 16 verbinden die Kurbelwelle 12 mit einem Motorblock. Die Hauptlagerzapfen 16 sind konzentrisch um die Längsachse 14 angeordnet, während die Bolzenlagerzapfen 18 gegenüber der Längsachse 14 versetzt sind. Die Bolzenlagerzapfen 18 werden über eine Pleuelstange an einem Kolben einer Hubkolbenmaschine befestigt. Die vom Kolben auf die Kurbelwelle 12 ausgeübte Kraft durch die dazwischenliegende versetzte Verbindung erzeugt ein Drehmoment in der Kurbelwelle, das die Kurbelwelle um die Längsachse 14 dreht. Das Drehmuster 26 um die Längsachse 14 wird im Allgemeinen durch einen Drehradius 28 zwischen dem radial äußersten Abschnitt der Kurbelwelle 12 und der Längsachse definiert.
Die Gegengewichte 22 erstrecken sich radial von der Längsachse 14 weg und dienen zum Ausgleich der Hubmasse der Kolben, Kolbenringe, Kolbenbolzen und Halteklammern, der kleinen Enden der Pleuelstangen und der rotierenden Masse der großen Enden der Pleuelstangen und Lager sowie der rotierenden Masse der Kurbelwelle selbst (der Bolzenlagerzapfen 18 und der Arme 20). Die Hauptlagerzapfen 16 befinden sich an der Längsachse 14 und benötigen keine Gegengewichte. Die Gegengewichte 22 reduzieren die auf die Hauptlagerzapfen 16 wirkenden Kräfte und verbessern damit die Lebensdauer der Lager. Die Gegengewichte 22 helfen, die Drehung der Kurbelwelle 12 um die Längsachse 14 auszugleichen, um die Vibrationen daran zu reduzieren. Die Kurbelwellenanordnung 10 kann eine beliebige funktionsfähige Anzahl von Gegengewichten 22 aufweisen, die an den verschiedenen Armen 20 in beliebiger funktionsfähiger Konfiguration befestigt sind.
Die Ausführungsform der in 1 dargestellten Kurbelwellenanordnung 10 ist für einen Reihen-Vierzylindermotor und beinhaltet vier Bolzenlagerzapfen 18, acht Arme 20, fünf Hauptlagerzapfen 26 und vier Gegengewichte 22. Es ist jedoch zu beachten, dass die Kurbelwellenanordnung 10 anders konfiguriert sein kann als in 1 dargestellt. In einigen Ausführungsformen kann die Kurbelwellenanordnung 10 eine nicht-planare Kurbelwelle beinhalten, oder die Kurbelwellenanordnung 10 kann für eine andere Art und/oder Konfiguration des Motors konfiguriert sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf einen V-Motor (z.B. einen Motor mit zwei Zylinderbänken, die in einem V angeordnet sind, um dazwischen ein Tal zu bilden) mit sechs oder acht Zylindern oder einen Reihenmotor mit 3, 5, 6 oder einer anderen Anzahl von Zylindern. Die Kurbelwelle kann eine V-Kurbelwelle mit geteilten Stiften sein, die zwei Stangen pro Bolzenlagerzapfen aufweist, wie beispielsweise ein V8- oder V12-Motor. Die Kurbelwellenanordnung 10 kann eine V-Kurbelwelle mit einem „Flugarm“ zwischen zwei Stangen- oder Bolzenlagerzapfen beinhalten. V6-Motoren haben vier Hauptlager und zwei Stangen zwischen jedem Hauptlager. Eine 60° (Neigungswinkel zwischen den Zylindern) V6-Kurbelwelle weist einen dicken Flugarm zwischen den Kurbelzapfen auf, da es einen 60° Stiftabstand gibt, und ein 90° V6 weist einen dünneren Flugarm auf (nur ein 30° Stiftabstand in der Endansicht). Die Struktur, Abmessungen, Konfigurationen usw. der Kurbelwellenanordnung 10 können von dem in 1 dargestellten abweichen, da diese Überlegungen weitgehend von den Bedürfnissen des jeweiligen Motors bestimmt werden.
Die in 1 dargestellte Kurbelwellenanordnung 10 ist für einen Fahrzeugmotor, der ein benzin- oder dieselbetriebener Verbrennungsmotor sein könnte, obwohl er auch in anderen Anwendungen eingesetzt werden könnte, wie mit einem Kompressor, um ein Beispiel zu nennen. Die Kurbelwellenanordnung 10 kann in Pkw, Motorrädern, Lastkraftwagen, Geländewagen (Englisch: Sports Utility Vehicles, SUVs), Freizeitfahrzeugen (Englisch: Recreational Vehicles, RVs), Seeschiffen, Flugzeugen usw. eingesetzt werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Kurbelwelle 12 aus Gusseisen oder Stahl, obwohl es möglich sein kann, ein anderes nutzbares Material zu verwenden. Bei Gusseisen oder Stahl können die verschiedenen Innenmerkmale wie die Ölkanäle 24 teilweise gegossen oder gebohrt sein, wie im Folgenden näher beschrieben. Die größeren Kanäle (oder Durchgänge) werden in gusseisernen Kurbelwellen teilweise gegossen.
1 zeigt drei mögliche Ausführungsformen eines Ölkanals 24 (siehe 24₁, 24₂, 24₃). Jeder Ölkanal 24 wird im Allgemeinen durch eine Hauptkanalwand 30 definiert. Die Hauptkanalwand 30 bildet eine Innenbohrung 32, die mit Öl 34 gefüllt oder teilweise gefüllt sein kann, wie in 1 schematisch dargestellt. Das Öl 34 kann über ein Hauptzapfenloch/- löcher 38 und/oder ein Kurbelzapfenaustrittsloch/-löcher 36, die sich in der Wand des Hauptkanals 30 befinden, in die Innenbohrung 32 ein-/austreten. Weitere Merkmale des in 1 dargestellten Ölkanals 24 beinhalten erweiterte Ausgangsabschnitte 40, die sich an beiden Enden eines Kanalabschnitts 42 befinden, Kernstopfensperrelemente 44, Kugelsperrelemente 46 und erweiterte Innenabschnitte 48.
In einer vorteilhaften Ausführungsform (z.B. Ölkanal 24₃ in 1) kann sich der Ölkanal 24 von einer Außenfläche 50 eines ersten Bolzenlagerzapfens 18, durch einen ersten Arm 20, durch den Hauptlagerzapfen 16, durch einen zweiten Arm 20 und zu einer Außenfläche 52 eines zweiten Bolzenlagerzapfens 18 erstrecken. Während der Ölkanal 24 dargestellt ist, die axiale Ausdehnung oder Reichweite von jedem der Bolzenlagerzapfen 18 im Allgemeinen zu maximieren, sind andere Konfigurationen möglich. So könnte beispielsweise in einer V8-Ausführungsform der Kanalabschnitt 42 von dem erweiterten Ausgangsabschnitt 40 in einem scharfen Winkel abragen, anstatt im Allgemeinen mit dem erweiterten Ausgangsabschnitt 40 in einer Linie zu liegen. In einigen Ausführungsformen, wie durch den Ölkanal 24₃ in 1 veranschaulicht, ist der Ölkanal symmetrisch zum zentral gelegenen Hauptzapfenloch 38, das im Allgemeinen mit der Längsachse 14 ausgerichtet ist.
Die Kurbelzapfenaustrittslöcher 36 und die Hauptzapfenlöcher 38 können strategisch entlang des Ölkanals 24 positioniert sein, um die Schmierung der verschiedenen auf der Kurbelwelle 12 installierten Lager zu erleichtern. In einer vorteilhaften Ausführungsform, wie mit dem Ölkanal 24₃ in 1 veranschaulicht, beinhaltet der Ölkanal ein Hauptzapfenloch 38, das manchmal senkrecht zur Längsachse 14 verläuft, mit einer oder mehreren Kurbelzapfenaustrittslöcher 36, die sich in einer radial äußeren Position in Bezug auf das Hauptzapfenloch 38 befinden. Mit dem Ölkanal 24₁ in 1 kann der Ölkanal 24 den Hauptzapfen 16 in einem einzigen Ausgang ohne ein Loch oder mehrere Löcher 38 verlassen. Der Ölkanal 24₁ ist in gestrichelten Linien dargestellt, um zu zeigen, dass es möglich ist, dass sich der Kanal und die verschiedenen Löcher 36, 38 in einer anderen Ebene befinden. So ist es beispielsweise möglich, dass jedes der Löcher 36, 38 an der Kreuzung mit der Hauptkanalwand 30 einen eher elliptisch geformten Querschnitt aufweist. Mit dem Ölkanal 24₂ in 1 kann es mehr als ein Loch am Ausgang geben, bei der ein einzelner Bolzenlagerzapfen von einem einzigen Hauptzapfen gespeist wird. Es versteht sich, dass es mehrere mögliche Konfigurationen geben kann, die hier nicht besonders dargestellt oder beschrieben sind und in den Anwendungsbereich der vorliegenden Anmeldung fallen. In Bezug auf das Drehmuster 26 und den Drehradius 28 werden Positionsbegriffe wie „radial außen“ und „radial innen“ verwendet. So wäre beispielsweise die am weitesten radial äußere Position dem Rotationsmuster 26 entlang des Rotationsradius 28 am nächsten, während die am weitesten radial innere Position der Längsachse 14, die im Allgemeinen der Mittelpunkt der Rotation ist, am nächsten wäre. Die Kurbelzapfenaustrittslöcher 36 und die Hauptzapfenlöcher 38 können quer gebohrt sein, um eine Außenfläche 50, 52 der Bolzenlagerzapfen bzw. eine Außenfläche der Hauptlagerzapfen zu verbinden. In 1 sind die Kurbelzapfenaustrittslöcher 36 zur besseren Übersichtlichkeit in der schematischen Darstellung der Kurbelwelle 12 als näher am Arm dargestellt, um die verschiedenen Komponenten der Ölkanäle 24₁, 24₂, 24₃ besser darzustellen. Vorteilhaft ist jedoch, dass die Kurbelzapfenaustrittslöcher 36 zentraler in den Bolzenlagerzapfen 18 angeordnet sind, wie in den 2-7 dargestellt.
Erweiterte Ausgangsabschnitte 40 befinden sich in den Bolzenlagerzapfen 18 (z.B. in den 1, 2, 3, 5, 6 und 7). Die erweiterten Ausgangsabschnitte 40 können so gestaltet sein, dass die Größe und/oder Masse der Kurbelwellenanordnung 10 minimiert wird, was die Größe und/oder Masse des Motors entsprechend reduziert, was eine komprimierende Wirkung auf die Gesamtgröße, Masse und die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs hat. Somit kann das Volumen der erweiterten Ausgangsabschnitte 40 maximiert werden, um das Gewicht der Kurbelwellenanordnung 10 zu verringern und einen Ölvorratsbehälter für Öl 34 in optimaler Größe zu ermöglichen, wobei das verbleibende Material ausreichend sein muss, um den hohen Belastungen an den Bolzenlagerzapfen 18 durch die Belastung durch die Pleuelstangen standzuhalten. Die erweiterten Ausgangsabschnitte 40 sind entsprechend angeordnet, um untere Verkleidungen 54 und obere Verkleidungen 56, die Bereiche hoher Spannung sein können, zu vermeiden oder ausreichend von diesen beabstandet zu sein. In einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die erweiterten Ausgangsabschnitte 40 einen Durchmesser 58 auf, der größer als ein Durchmesser 60 des erweiterten Innenabschnitts 48 ist. Der Durchmesser 60 des erweiterten Innenabschnitts 48 ist größer als ein Durchmesser 62 des Kanalabschnitts 42. Dementsprechend ist der Durchmesser 58 der erweiterten Ausgangsabschnitte 40 größer als der Durchmesser 62 der Kanalabschnitte 42. Zusätzlich ist ein Durchmesser 64 des Kurbelzapfenaustrittslochs 36 kleiner als der Durchmesser 62 des Kanalabschnitts 42. Somit sind die Durchmesser 58, 60, 62 alle größer als der Durchmesser 64 des Kurbelzapfenaustrittslochs 36. Die Durchmesser 58, 60, 62, 64 hängen von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, die Gesamtgröße der Kurbelwelle 12, das gewünschte Schmierungsschema und/oder die erforderlichen Spannungstoleranzen. In einer Ausführungsform ist der Durchmesser 62 des Kanalabschnitts 42 etwa 5-6 mm oder größer.
Kernstopfensperrelemente 44 können in den erweiterten Ausgangsabschnitten 40 angeordnet sein, um die Belastungen der Bolzenlagerzapfen 18 aufzunehmen. Die Kernstopfensperrelemente 44 können aus dem gleichen Material wie die Kurbelwelle 12 oder einem anderen Material gebildet sein. Einige mögliche Materialien sind Stahl, Aluminium, Titan, Keramik, eine Metallmatrix oder ein Verbundwerkstoff. Beispielhafte Kernstopfensperrelemente 44 und ihre Konfiguration, Struktur usw. in Bezug auf die Kurbelwellenanordnung 10 sind in der am 16. März 2016 eingereichten U.S. Patentanmeldung Seriennummer 15/048,333, welche dem Anmelder der vorliegenden Anmeldung zugeordnet und durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen wird, beschrieben. In der in 1 dargestellten Ausführungsform sind die Kernstopfensperrelemente 44 Topfkernstopfen, die eine Topfform aufweisen, die im Allgemeinen mit der Form der erweiterten Ausgangsabschnitte 40 übereinstimmt. Wie im Folgenden ausgeführt wird, sind andere Formen und Konfigurationen für die Kernstopfensperrelemente 44 durchaus möglich. Die Kernstopfensperrelemente 44 beinhalten optional eine oder mehrere Öffnungen, um den Durchtritt von Öl 34 von dem Kanalabschnitt 42 aus dem erweiterten Ausgangsabschnitt 40 zu ermöglichen. Das Vorhandensein oder Fehlen von Öffnungen in den Kernstopfensperrelementen 44 hängt vom gewünschten Schmierungsschema ab, wie im Folgenden näher erläutert wird. Die Kernstopfensperrelemente 44 befinden sich im Allgemeinen innerhalb des Ölkanals 24 in einer radial äußeren Position in Bezug auf die Kurbelzapfenaustrittslöcher 36 und einer radial inneren Position in Bezug auf die Außenflächen 50, 52 der Bolzenlagerzapfen 18. Wenn außerdem zusätzlich zum Kernstopfensperrelement 44 ein zweites Sperrelement im Ölkanal 24 eingesetzt ist, befindet sich das Kernstopfensperrelement 44 im Allgemeinen an einer radial äußeren Position in Bezug auf das zweite Sperrelement.
Kugelsperrelemente 46 können, wie in 1 dargestellt, als ein zweites Sperrelement zusätzlich zum Kernstopfensperrelement 44 verwendet werden, oder in einigen Ausführungsformen kann das Kugelsperrelement 46 (oder ein alternativ geformtes Sperrelement) als einziges oder erstes Sperrelement verwendet werden. Es ist möglich, dass das erste Sperrelement oder das zweite Sperrelement verschiedene Formen oder Konfigurationen annimmt, solange die Innenbohrung 30 größtenteils oder vollständig durch das Element blockiert ist. Die Kugelsperrelemente 46 können aus einem dem Kernstopfensperrelement 44 ähnlichen Material oder einem anderen funktionsfähigen Material gebildet sein. Die Kugelsperrelemente 46 können in den Kanalabschnitt 42 eingepresst sein, um den Durhcfluss von Öl 34 durch die Innenbohrung 32 des Ölkanals 24 weiter zu steuern. Der Durchmesser der Kugelsperrelemente 46 kann daher ziemlich nah am Durchmesser 62 des Kanalabschnitts 42 liegen, um die Pressverbindung zu erleichtern. Die Kugelsperrelemente 46 befinden sich typischerweise in einer radial äußeren Position in Bezug auf die Kurbelzapfenaustrittslöcher 36. In der in 1 dargestellten Ausführungsform befinden sich die Kugelsperrelemente 46 in einer radial äußeren Position in Bezug auf die Kurbelzapfenaustrittslöcher 36. Diese Anordnung kann in Ausführungsformen vorteilhaft sein, in denen ein erweiterter Innenabschnitt 48 beinhaltet ist, um den Durchfluss von Öl 34 durch die Kurbelzapfenaustrittslöcher 36 zur Innenbohrung 32 des Ölkanals 24 zu fördern.
Erweiterte Innenabschnitte 48, wie in 1 dargestellt, können in einigen Ausführungsformen verwendet werden, um den Durchfluss von Öl 34 durch die Innenbohrung 32 des Ölkanals 24 zu regulieren. Der erweiterte Innenabschnitt 48 ist vorteilhaft entlang des Kanalabschnitts 42 angeordnet, um einen zusätzlichen Ölstrom aus dem/den Haupteinlassloch/Haupteinlasslöchern 38 in den Ölkanal 24 zu fördern. Der im Volumen erweiterte Abschnitt 48 an oder in der Nähe der Kurbelzapfenaustrittslöcher 36 kann den Durchfluss des Öls 34 durch die Kurbelzapfenaustrittslöcher 36 erhöhen, um eine effizientere Schmierung der verschiedenen Komponenten der Kurbelwellenanordnung 10 zu fördern. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (z.B. 1, 2, 4 und 5) ist der erweiterte Innenabschnitt 48 radial innerhalb in Bezug auf das Kurbelzapfenaustrittsloch 36 angeordnet. Diese Anordnung kann dazu beitragen, ein effizienteres Schmierungsschema zu schaffen. Während die erweiterten Innenabschnitte 48 im Allgemeinen als kugelförmig dargestellt sind, können sie je nach gewünschter Implementierung alternativ geformt oder konfiguriert sein.
Der erweiterte Innenabschnitt 48 beinhaltet in einigen Ausführungsformen einen abgerundeten Querschnittsumfang 66. Die kugelförmige Form kann aus strömungstechnischer Sicht vorteilhafter sein, und sie kann einfacher herzustellen sein. Wenn der kugelförmige abgerundete Umfang 66 von der Mitte des Ölkanals 24 eine elliptische Form bildend versetzt ist, wird der Ölstrom verstärkt. Es ist zu verstehen, dass es viele mögliche Anordnungen des erweiterten Innenabschnitts 48 geben kann, um mehr Ölfluss zu den Kurbelzapfenaustrittslöchern 36 zu ermöglichen. Wie vorstehend, in der Ausführungsform der 1, beschrieben, befindet sich der erweiterte Innenabschnitt 48 im Kanalabschnitt 42 an einer Stelle radial innerhalb vom Kurbelzapfenaustrittsloch 36. In anderen Ausführungsformen, wie beispielsweise der in 2 dargestellten Ausführungsform, ist das Kurbelzapfenaustrittsloch 36 konzentrisch mit dem im Querschnitt abgerundeten Umfang 66. In noch weiteren Ausführungsformen kann das Kurbelzapfenaustrittsloch 36 im Allgemeinen innerhalb der Grenzen des erweiterten Innenabschnitts 48 angeordnet sein, anstatt dass der erweiterte Innenabschnitt 48 radial innerhalb in Bezug auf das Kurbelzapfenaustrittsloch 36 angeordnet ist.
Die 2-6 veranschaulichen verschiedene andere Ausführungsformen des Ölkanals 24. Wie vorstehend in 2 beschrieben, ist das Kurbelzapfenaustrittsloch 36 konzentrisch mit dem im Querschnitt abgerundeten Umfang 66 des erweiterten Innenabschnitts 48. Das Kernstopfensperrelement 44 in dieser Ausführungsform ist ein Puckkernstopfen anstelle eines Topfkernstopfens. Das Kugelsperrelement 46 ist knapp radial innerhalb eines abgestuften Übergangsabschnitts 68 angeordnet. Der gestufte Übergangsabschnitt 68 könnte mehrere innere Stufen oder Schultern aufweisen, oder er kann, wie dargestellt, als Senkkante 70 ausgebildet sein. Der erweiterte Innenabschnitt 48 kann weiter von der Verrundung 54 entfernt sein als in der Abbildung dargestellt, und dieser Abstand kann optimiert werden, um die aufgebrachten Lasten zu handhaben.
In 3 weist der gestufte Übergangsabschnitt 68 eine Senkkante 70 auf, die den erweiterten Ausgangsabschnitt 40 in den gestuften Übergangsabschnitt 68 überführt, und eine zweite Senkkante 72, die den Übergangsabschnitt 68 in den Kanalabschnitt 42 überführt. Das Kugelsperrelement 46 sitzt im Übergangsbereich 68. Zusätzlich befindet sich das Kurbelzapfenaustrittsloch 36 im Übergangsbereich 68. Da der Übergangsabschnitt einen Durchmesser aufweist, der in Bezug auf die Größe zwischen dem Durchmesser 58 des erweiterten Ausgangsabschnitts 40 und dem Durchmesser 62 des Kanalabschnitts 42 liegt (siehe z.B. 1), kann die Positionierung des Kurbelzapfenlochs 36 in diesem Bereich die Fähigkeit zum Flüssigkeitstransfer verbessern.
4 veranschaulicht einen Ölkanal 24, der keinen erweiterten Ausgangsabschnitt 40 aufweist. In dieser Ausführungsform erstreckt sich der Kanalabschnitt 42 von der Außenfläche 52 eines Bolzenlagerzapfens 18, über den Hauptlagerzapfen 16 bis zur Außenfläche eines anderen Bolzenlagerzapfens. Wie bei der Ausführungsform 2 kann der erweiterte Innenabschnitt 48 weiter von der Verrundung 54 entfernt sein als dargestellt, und dieser Abstand kann für die Handhabung der aufgebrachten Lasten optimiert sein. Die Ausführungsform von 4 weist auch nur ein einziges Kugelsperrelement 46 auf, das radial außerhalb in Bezug auf das Kurbelzapfenaustrittsloch 36 angeordnet ist. Diese Ausführungsform hat keinen erweiterten Ausgangsabschnitt 40, was helfen kann, den Kurbelarm zu versteifen und die Masse zu reduzieren.
5 zeigt eine alternative Variation des erweiterten Ausgangsabschnitts 40. Diese Ausführungsform beinhaltet einen zusätzlichen Ausgang 72 entlang der Außenfläche 52 des Bolzenlagerzapfens 18. Zusätzlich weist dieser erweiterte Ausgangsabschnitt 40 ein größeres Hohlraumvolumen auf, und dementsprechend wird ein zusätzliches Kernstopfensperrrelement 44 verwendet, um den Bolzenlagerzapfen 18 strukturell zu stützen. Diese Ausführungsform kann in Szenarien, in denen eine weitere Gewichtsreduzierung der gesamten Kurbelwellenbaugruppe 10 gewünscht wird, von Vorteil sein. In einigen Ausführungsformen, in denen der erweiterte Ausgangsabschnitt 40 einen zusätzlichen Ausgang 72 oder ein größeres Hohlraumvolumen aufweist, kann das Kurbelzapfenloch 36 zentraler angeordnet sein als in 5 dargestellt.
Die 6 und 7 veranschaulichen alternative Ausführungsformen, bei denen das Sperrelement ein Absperrventil 74 beinhaltet. Das Absperrventil 74 kann im gestuften Übergangsabschnitt 68 und insbesondere in einer der Senkkanten 70, 72 eingesetzt sein. Das Absperrventil 74 in der Ausführungsform von 6 kann einem kugelschreiberartigem Ventil ähnlich sein. Zusätzlich befindet sich in den Ausführungsformen der 6 und 7 das Kurbelzapfenaustrittsloch 36 im erweiterten Ausgangsabschnitt 40. Diese Anordnung ermöglicht es, das Öl 34 innerhalb des erweiterten Ausgangsabschnitts 40 zu halten, wobei das Absperrventil 74 den größten Rückfluss zum Kanalabschnitt 42 verhindert. Dies kann für Betriebszwecke von Vorteil sein. Gemäß einer Methode zum Betreiben der Kurbelwellenanordnung 10 sind das Kurbelzapfenaustrittsloch 36 und die Sperrelemente 44 oder 74 und 46 so positioniert, dass etwas Öl 34 im Bereich zwischen den Sperrelementen gehalten wird. So könnte beispielsweise die Ölmenge in diesem Bereich mindestens 30-50% und vorteilhafterweise über 50% des Volumens betragen. Dementsprechend wäre dieser Bereich nicht mehr als halbtrocken, wenn der Motor für einen längeren Zeitraum (z.B. ca. 8-10 Stunden) in horizontaler Ausrichtung abgestellt ist. Wenn der Ölkanal 24 die ganze Zeit halb geölt und nach ein paar Kurbelumdrehungen vollständig geölt ist, kann dies dazu beitragen, Lagerausfälle zu vermeiden. Darüber hinaus kann in einigen Ausführungsformen die Kombination des Absperrventilsperrelements 74 und des Kernstopfensperrelements 44 die Robustheit des Schmierungsschemas erhöhen und gleichzeitig kleinere Lager ermöglichen.
In 7 ist das Absperrventil 74 eine federbelastete Rückschlagkugel, die eine Feder 76 und einen Haltering 78 beinhaltet. Neben einem allgemein zylindrischen Haltering 78 sind in den 8 bzw. 9 weitere Ausführungsformen des Halterings 78' bzw. 78" dargestellt. Die Halteringe 78', 78" haben radiale Vorsprünge 80, die helfen, die Kugel in einer gewünschten Position im Ölkanal 24 zu halten. 10 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines Absperrventils, das ein Lamellenventil 74' ist. Diese Ausführungsform beinhaltet ein Scharnier 82, das sich nur öffnet, wenn Druck von einer radial inneren Position im Kanalabschnitt 42 nach außen in Richtung des erweiterten Ausgangsabschnitts 40 ausgeübt wird. Dementsprechend kann mit den Absperrventilen 74, 74' der Rückfluss verhindert oder minimiert werden. Alternativ zu den veranschaulichten Absperrventilen können auch andere Arten von Absperrventilen einbezogen werden, wie beispielsweise ein Rückschlagventil der Serie 855, um nur ein Beispiel zu nennen.
Zur Herstellung der Kurbelwellenbaugruppe 10 und ihrer Merkmale können verschiedene Techniken eingesetzt werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Ölkanal 24 oder zumindest ein Teil davon, wie beispielsweise der erweiterte Innenabschnitt 48, in einem Orbitalmuster gefräst, um die Maßänderung in der Wand des Hauptkanals 30 zu erzeugen. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird für das Orbitalfräsmuster eine trochoide Frästechnik verwendet. Werkzeuge mit kleinem Durchmesser können verwendet werden, um Merkmale wie die Kurbelzapfenaustrittslöcher 36 zu erzeugen. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Bohren der Kurbelzapfenaustrittslöcher 36 mit einer hohen Axiallast bei allmählicher Erhöhung oder Verstärkung des Vorschubs durchgeführt.
Es ist zu verstehen, dass die vorstehende Beschreibung keine Definition der Erfindung ist, sondern eine Beschreibung einer oder mehrerer bevorzugter exemplarischer Ausführungsformen der Erfindung. Die Erfindung ist nicht auf die hierin offenbarte(n) Ausführungsform(en) beschränkt, sondern wird ausschließlich durch die folgenden Ansprüche definiert. Darüber hinaus beziehen sich die in der vorstehenden Beschreibung enthaltenen Aussagen auf bestimmte Ausführungsformen und sind nicht als Einschränkung des Umfangs der Erfindung oder der Definition von in den Ansprüchen verwendeten Begriffen auszulegen, es sei denn, ein Begriff oder eine Formulierung ist vorstehend ausdrücklich definiert. Verschiedene andere Ausführungsformen und verschiedene Änderungen und Modifikationen der offenbarten Ausführungsform(en) werden für den Fachmann offensichtlich sein. So ist beispielsweise die spezifische Kombination und Reihenfolge der Schritte nur eine Möglichkeit, da die vorliegende Methode eine Kombination von Schritten beinhalten kann, die weniger, mehr oder andere Schritte aufweist als die hier dargestellten. Alle anderen Ausführungsformen, Änderungen und Modifikationen sollen in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche fallen.
Wie in dieser Spezifikation und den Ansprüchen verwendet, sind die Begriffe „zum Beispiel“, „z.B.“, „beispielsweise“, „wie“ und „vergleichbar“ und die Verben „aufweisen“, „haben“, „beinhalten“ und ihren anderen Verbformen, wenn sie in Verbindung mit einer Auflistung von einer oder mehreren Komponenten oder anderen Elementen verwendet werden, jeweils als offen auszulegen, was bedeutet, dass die Auflistung nicht als Ausschluss anderer, zusätzlicher Komponenten oder Elemente zu betrachten ist. Andere Begriffe sind mit ihrer weitesten vernünftigen Bedeutung auszulegen, es sei denn, sie werden in einem Kontext verwendet, der eine andere Auslegung erfordert.

Claims

Eine Kurbelwellenanordnung für ein Fahrzeug, umfassend: eine Kurbelwelle; einen ersten Bolzenlagerzapfen; einen Hauptlagerzapfen; einen Ölkanal mit einer Hauptkanalwand, wobei sich der Ölkanal von dem ersten Bolzenlagerzapfen zu oder durch den Hauptlagerzapfen erstreckt; ein Kurbelzapfenaustrittsloch, das mit der Wand des Hauptkanals verbunden ist; und ein Sperrelement, das in dem Ölkanal positioniert ist, wobei das Sperrelement in einer radial äußeren Position in Bezug auf das Kurbelzapfenaustrittsloch angeordnet ist.
Die Anordnung nach Anspruch 1, wobei sich der Ölkanal von einer Außenfläche des ersten Bolzenlagerzapfens durch den Hauptlagerzapfen zu einer Außenfläche eines zweiten Bolzenlagerzapfens erstreckt.
Die Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Ölkanal einen erweiterten Ausgangsabschnitt an dem ersten Bolzenlagerzapfen und einen in Bezug auf den erweiterten Ausgangsabschnitt radial innen liegenden Kanalabschnitt am ersten Bolzenlagerzapfen beinhaltet.
Die Anordnung nach Anspruch 3, wobei das Sperrelement konfiguriert ist, um Öl aus dem Kurbelzapfenaustrittsloch und dem Kanalabschnitt davon abzuhalten, aus dem erweiterten Ausgangsabschnitt zu fließen.
Die Anordnung nach Anspruch 3, wobei das Sperrelement ein Absperrventil ist, das zumindest teilweise an einem abgestuften Übergangsabschnitt zwischen dem erweiterten Ausgangsabschnitt und dem Kanalabschnitt sitzt.
Die Anordnung nach Anspruch 1, ferner umfassend ein zweites Sperrelement, das sich in einer radial äußeren Position in Bezug auf das Kurbelzapfenaustrittsloch befindet.
Die Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Sperrelement ein Puckkernstopfen oder ein Topfkernstopfen ist.
Die Anordnung nach Anspruch 7, ferner umfassend ein zweites Sperrelement, das sich in einer radial inneren Position in Bezug auf das Kurbelzapfenaustrittsloch befindet.
Die Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Ölkanal einen erweiterten Innenabschnitt entlang eines Kanalabschnitts beinhaltet.
Anordnung nach Anspruch 9, wobei der erweiterte Innenabschnitt radial innen in Bezug auf das Kurbelzapfenaustrittsloch angeordnet ist oder konzentrisch zu einem im Querschnitt abgerundeten Umfang des erweiterten Innenabschnitts ist.