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Patent Searching and Data


Title:
LIGHTWEIGHT CRANKSHAFT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2003/016730
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a crankshaft (1) and to a corresponding production method. In order to reduce inherent weight, the crankshaft (1) has recesses (7) or cavities that are either axially (area 3) situated or located in eccentric parts (4) of the crankshaft (1) such as in main bearings and connecting rods. In order to reinforce the mechanical stability properties of the crankshaft (1), at least some of the cavities or recesses (7) are provided with high-strength reinforcing elements. In order to delimit the reinforcing elements, which are provided in the form of metal shaped bodies (2) while preferably being made of steel, from the material of the crankshaft (1), these reinforcing elements are provided with a coating (6).

Inventors:
BEHR THOMAS (DE)
WEISSKOPF KARL-LUDWIG (DE)
HAUG TILMAN (DE)
Application Number:
PCT/DE2002/002965
Publication Date:
February 27, 2003
Filing Date:
August 13, 2002
Export Citation:
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Assignee:
DAIMLER CHRYSLER AG (DE)
BEHR THOMAS (DE)
WEISSKOPF KARL-LUDWIG (DE)
HAUG TILMAN (DE)
International Classes:
B22D19/00; B22D25/02; F16C3/10; C23C30/00; F16C3/08; (IPC1-7): F16C3/06; F16C3/08
Foreign References:
DE3913088A11989-11-23
US5064726A1991-11-12
JPS55103112A1980-08-07
EP0345424A11989-12-13
US1494106A1924-05-13
DE19526057C11996-04-04
DE4314138C11994-06-16
DE485336C1929-10-29
DE714558C1941-12-02
DE7427967U
DE2706072A11978-08-17
DE1022426B1958-01-09
JPS55103112A1980-08-07
JPS56131819A1981-10-15
JPS5578813A1980-06-13
Attorney, Agent or Firm:
DAIMLERCHRYSLER AG (HPC U800 Wilhelm-Runge-Strasse 11, Ulm, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Kurbelwelle mit exzentrischen Strukturen wie Pleuel, Hauptlager usw., wobei zur Gewichtsreduktion Hohlräume und/oder Ausnehmungen sowohl im Bereich der Rotationsachse, als auch davon isoliert im Bereich der exzentrischen Strukturen vorhanden sind, wobei zumindest ein Hohlraum und/oder eine Ausnehmung vorhanden ist, bei dem/der ein aus einem vorgefertigten Metallformkörper, vorzugsweise aus Stahl, bestehendes Verstärkungselement eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallformkörper (2) durch eine Beschichtung (6) vom Material der Kurbelwelle (1) abgegrenzt ist.
2. Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) den Austausch von Stoffen, insbesondere die Diffusion von Kohlenstoff, zwischen dem Metallformkörper (2) und dem Material der Kurbelwelle (1) behindert.
3. Kurbelwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallformkörper (2) zumindest teilweise hohl ausgebildet sind.
4. Kurbelwelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) zumindest einen der Stoffe/eine der Stoffkombinationen Al203, Y203/A1203, Ti02/A1203, MgAl204, Zr/Al Silicat, Bornitrid, und/oder Schichten aus NiCrAlY und/oder NiTi aufweist.
5. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Querschnitt der als Verstärkungselemente dienenden Metallformkörper (2) je Bereich der Kurbelwelle (1) auf eine Vielzahl von einzelnen Metallformkörpern (2) aufgeteilt ist.
6. Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei während des Gießens sowohl im Bereich der Rotationsachse der Kurbelwelle (1), als auch im Bereich exzentrischer Strukturen (3) entsprechend geformte Verdrängungskörper eingesetzt werden, so dass in diesen Bereichen Hohlräume und/oder Ausnehmungen gebildet werden, wobei zumindest einer der durch die Beschichtung (6) vom späteren Material der Kurbelwelle (1) abgegrenzten Metallformkörper (2) als Verdrängungskörper eingesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) mittels thermischer Spritzverfahren (z. B. Lichtbogendrahtspritzen, Plasmabeschichtung), galvanisch oder als Schlichte (z. B. Al203, Y203/A1203, Ti02/A1203, MgAl204, Zr/AlSilicat, NiCrAlYund NiTiSchichten, Bornitrid) aufgetragen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallformkörper (2) zur Fixierung während des Gießens an Hilfskonstruktionen, z. B. Metallstiften oder Metallrohren (9), oder an Ölführungsrohren (5) befestigt werden.
Description:
Leichtbaukurbelwelle Die Erfindung betrifft mechanische Kurbelwellen, wie sie z. B. in Antrieben eingesetzt werden. Insbesondere betrifft die Er- findung (teil-) gegossene Kurbelwellen und Verfahren zu deren Herstellung.

Antriebswellen sind mechanisch hoch belastet und daher übli- cherweise aus Vollmaterial (Stahl) gefertigt. Eine massive Kurbelwelle aus geschmiedetem Stahl oder Kugelgraphitguss (GGG70) ist daher mit einem Eigengewicht von 12 bis 40 Kg die schwerste Motorkomponente bei Kraftfahrzeugen.

Eine nicht massive und daher leichtere Kurbelwelle übt einen günstigen Einfluß auf die erreichbaren Drehzahlen aus und führt durch die Reduktion bewegter Massen zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch. Weitere positive Nebeneffekte ergeben sich für die Lagerung der Welle, Pleuel, Gehäusevolumen und Starter- generator und ermöglichen durch Reduktion des Gegengewichts- radius eine Verringerung der Motorbauhöhe.

Zur Reduzierung des Gewichts gibt es technische Ansätze, den Kern der Welle axial hohl auszubilden. So beschreibt die Pa- tentschrift DE 43 14 138 Cl u. a. für den Einsatz als Kurbel- welle-eine Hohlwelle, bei der der Kern aus einem Stahlrohr gefertigt ist, welches dann in einer Gießform eingesetzt wird und mit dem gewünschten Gießmetall umgossen (z. B. Nockenkörper) gebildet werden. Für eine weitere Reduzierung des Gewichts in Bereichen der Welle, die exzentrisch hervortreten (Nockenkörper), wird in der Patentschrift vorgeschlagen, den Stahlrohrkern in diesen Bereichen durch Druckverformung auszuweiten, um so auch bei diesen besonders schweren Gewichtsanteilen der Welle Material (Gußmetall) einzusparen.

Bei einer so gefertigten Welle sind mögliche Gewichts- einsparungen grundsätzlich eingeschränkt, da nur das zentrale Stahlrohr (mit Druckverformungen) zur Materialreduktion beiträgt. Dabei erfolgt eine Masseverringerung nur im Kernbereich der Welle, d. h. Trägheitsmomente exzentrischer Bereiche mit größerem axialen Abstand werden nur unwesentlich reduziert. Nachteilig ist bei diesem Verfahren auch, dass eine Druckverformung eines Stahlrohrkerns (vorgeschlagene Wandstärke bis 4 Millimeter) an mehreren, über die Länge der Welle verteilte Stellen fertigungstechnisch relativ aufwendig ist (erforderlich ist nach der Lehre der genannten Patentschrift eine schlagartige Innendruckbelastung bis 4000 bar). Zudem verliert das zentrale Stahlrohr gerade durch die Druckverformungen an Stabilität, da zum einen durch die Verformung in diesen Bereichen die Stärke der Wandung verringert ist und zum anderen durch lokale Abweichungen von der symmetrischen Zylinderform ungünstige Spannungsverläufe entstehen. Für moderne Hochleistungsantriebe, wie sie beispielsweise in Fahrzeugen eingesetzt werden, kann diese Ausführung einer Kurbelwelle den Anforderungen bzgl.

Steifigkeit nicht genügen, da der Verformungsgrad zwischen Haupt-zum Hublager viel zu groß wäre.

Aus den Schriften DE 4 85 336 C, DE 7 14 558 C sowie aus der DD 22 40 sind außerdem Kurbelwellen bekannt, bei welchen sowohl im Bereich der Rotationsachse, als auch im Bereich der exzentrischen Strukturen Hohlräume unterschiedlicher Ausgestaltung vorgesehen sind.

Die Druckschriften DE 74 27 967 U1 und DE 27 06 072 A1 beschreiben gegossene Kurbelwellen, deren Gewicht nicht durch Hohlräume sondern durch seitliche, im Bereich der exzentrischen Strukturen angeordnete Ausnehmungen reduziert wird.

Die DE 10 22 426 B geht dabei sogar noch einen Schritt weiter und bildet praktisch die gesamte Kurbelwelle hohl aus.

All diesen Kurbelwellen ist es gemeinsam, dass durch die Hohlräume zwar Vorteile hinsichtlich des Gewichts der Kurbelwelle zu erzielen sind, die Festigkeit bzw. Steifigkeit der Kurbelwelle wird durch die Hohlräume und/oder Ausnehmungen jedoch gegenüber einer massiven Bauweise herabgesetzt.

Um diesem Punkt der geringeren Festigkeit und Steifigkeit entgegenzuwirken sind dem Abstract der JP 55-103112 A Kurbelwellen bekannt, bei welchen während des Gießens metallische Kerne eingelegt sind, welche in der Kurbelwelle verbleiben. In dem Abstract der JP 56-131819 A sind diese Kerne während des Gießens an geraden Rohren befestigt, welche zu Führung von Öl in der Kurbelwelle dienen. Auch der Abstract der JP 55-078813 beschriebt die Befestigung von, allerdings andersartig ausgebildeten Kernen an den Ölführungsrohren einer Kurbelwelle während des Gießens.

Ein Nachteil ist darin zusehen, dass es zu sich verschlechternden Eigenschaften sowohl bei den metallischen Kernen, als auch bei der Kurbelwelle selbst kommen kann, da durch Diffusion Stoffe zwischen den beiden Partnern ausgetauscht werden, welche dann beim Abkühlen zu sich verändernden Eigenschaften führen können. Als Beispiel hierfür sei die Diffusion von Kohlenstoff und die sich daraus ergebenden Gefügeausbildungen von z. B. gehärtetem Stahl bei langsamer Abkühlung genannt.

Des weiteren kann es sehr leicht zu einem Aufschmelzen der metallischen Kerne kommen.

Die metallischen Kerne tragen außerdem wieder zu einer Erhöhung des Gewichts der Kurbelwelle bei.

Die Erfindung geht aus von dem dargelegten Stand der Technik.

Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kurbelwelle sowie das entsprechende Herstellungsverfahren zu entwickeln, wobei einerseits eine weitergehende Reduzierung des Eigengewichts der Welle erreicht werden, und andererseits die mechanische Stabilität gesteigert werden soll, so dass die aufgeführten Nachteile besser überwunden und weitere Vorteile (z. B. bzgl.

Laufruhe) erreicht werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kurbelwelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das entsprechende Herstellungsverfahren ist Gegenstand des Anspruchs 6.

Gegossene Kurbelwellen weisen gegenüber geschmiedeten Kurbelwel : werkstoffbedingt eine geringere Steifigkeit (Axial-, Biege-und Torsionssteifigkeit) auf, welche durch den geringeren E-Modul begründet wird (Stahl : 210.000 MPa ; Sphäroguss : 160.000 MPa).

Durch die hohe Gestalt-und Designfreiheit beim Giessen kann dieser Nachteil jedoch durch konstruktive Maßnahmen wie Verrippung (en) oder einer Optimierung des Kraftflusses durch spezielle Formgebung vermindert werden.

Die Erfindung nutzt die durch das Giessen bestehende Möglichkeit einer gezielten Ausstattung der Welle bzw. der Lager mit Hohlräumen und/oder Ausnehmungen. Eine solche Hohlgestaltung kann-je nach Wellentyp-zu einer Gewichtsreduktion der Welle von bis zu 50% führen. Dabei ist die Hohlgestaltung der Lager meist mit einer Reduzierung der Steifigkeit des Bauteils verbunden. Dieser Nachteil kann durch spezielle Formgebung der Hohlräume oder Ausnehmungen teilweise überwunden werden, da die Geometrie der Hohlgestaltung einen signifikanten Einfluß auf die Höhe der Steifigkeitsreduktion (Axial-, Biege-und Torsionssteifigkeit) hat. Durch das Fertigungsverfahren Giessen können die unterschiedlichsten Hohlraumgeometrien (z. B. konisch, zylindrisch, geschlossen, einseitig offen, zweiseitig offen) dargestellt werden, wobei die Form auch über den Querschnitt variieren kann. Durch die Integration von Metallformkörpern als Verstäkungselemente, insbesondere solche aus Stahl, wird eine weiter Steigerung der Festigkeit erreicht.

Zur Einstellung der Grenzflächen zwischen den Verstärkungselementen und dem Gusswerkstoff und zur Verhinderung des Aufschmelzens der Verstärkungselemente, wenn dies als Verdrängungskörper eingesetzt werden, ist eine vollständige oder teilweise Beschichtung der Verdrängungskörper vorgesehen. Des weiteren kann die Beschichtung die Diffusion von Stoffen, insbesondere von Kohlenstoff, aus der Schmelze in die Verdrängungskörper verhindern, welche ansonsten einen negativen Einfluß auf die mechanischen Kennwerte nach sich ziehen würde.

Diese Beschichtung kann gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mittels thermischer Spritzverfahren (z. B. Lichtbogendrahtspritzen, Plasmabeschichtung), Sol-Gel, galvanisch oder als Schlichte (Al203, Y203/A1203, Ti02/A1203, MgAl204, Zr/Al-Silicat, NiCrAlY-und NiTi-Schichten, Bornitrid ; generell Metall-Oxide) aufgetragen werden.

Die aufgeführten steifigkeitsoptimierten Konstruktionen mit Verstärkungselementen sind grundsätzlich für alle üblichen Gusslegierungen für Kurbelwellen (z. B. Sphäroguss nach DIN EN 1563) einsetzbar. Die Verwendung von bainitischem Gusseisen (ADI Austempered Ductile Iron) nach DIN EN 1564 bietet darüber hinaus, bedingt durch die anschließende Wärmebehandlung, die Möglichkeit, die durch das Eingiessen von Verstärkungselementen vielleicht entstandenen Spannungen abzubauen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung und Vorzüge verschiedener Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Kurbelwelle und das entsprechende Herstellungsverfahren wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben, wobei Bezug genommen wird auf die Abbildungen und die darin aufgeführten Bezugsziffern.

Es zeigt : Fig. 1 eine dreidimensionale Darstellung eines Abschnitts einer Kurbelwelle mit hohlen Metallformkörpern als Verstärkungselemente ; Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch den Abhschnitt der Kurbelwelle gemäß Figur 1 ; Fig. 3 bis Fig. 7 Schnittdarstellungen durch verschiedene Ausführungsformen von Kurbelwellen mit jeweils unterschiedlichen Verstärkungselementen ; Fig. 8 eine Schnittdarstellungen durch eine Ausführungsformen einer gegossenen Kurbelwellen mit Ölführungsrohren und daran angebrachten Verdrängungskörpern ; und Fig. 9 eine dreidimensionale Darstellung eines Abschnitts einer Kurbelwelle mit einer Vielzahl von einzelnen Verstärkungselementen in einem Bereich der Kurbelwelle.

In Figur 1 ist in einer dreidimensionalen Darstellung eine mögliche Ausführungsform einer Kurbelwelle (1) bzw. eines Abschnitts davon dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind zylindrische hohle Metallformkörper (2) aus Stahl zum einen im Kern (3) der Kurbelwelle (1) entlang der Hauptachse angebracht und weitere zylindrische hohle Metallformkörper (2) im Bereich der Lager (4) exzentrisch angeordnet. Die in den verschiedenen Bereichen eingebrachten Metallformkörper (2) dienen als Verstärkungselemente für die Kurbelwelle (l). Sie können dabei unterschiedliche Durchmesser haben, um den jeweiligen Belastungen an verschiedenen Stellen der Welle Rechnung zu tragen. Außerdem ist in Figur 1 ein eingegossenes Rohr (5), das beispielsweise zur Ölführung dient, zu erkennen, welches jedoch für die Erfindung in der hier dargestellten Form nicht relevant ist, und auf welches daher erst im Rahmen der Figur 8 näher eingegangen wird.

Zur Einstellung der Grenzflächen zwischen den als Verstärkungselemente dienenden Metallformkörpern (2) und dem Gusswerkstoff der Kurbelwelle (1) und zur Verhinderung des Aufschmelzens, wenn die Metallformkörper beim Guss der Kurbelwelle (1) als Verdrängungskörper eingesetzt werden, ist eine vollständige oder teilweise Beschichtung (6) der Metallformkörper (2) vorgesehen. Des weiteren kann die Beschichtung (6) die C-Diffusion von der Schmelze in die Metallformkörper (2) verhindern, welche ansonsten einen negativen Einfluß auf die mechanischen Kennwerte nach sich ziehen würde.

Die Beschichtung (6) kann mittels thermischer Spritzverfahren (z. B. Lichtbogendrahtspritzen, Plasmabeschichtung), Sol-Gel, galvanisch oder als Schlichte (Al203, Y203/Al203, TiO2/A1203, MgAl204, Zr/Al-Silicat, NiCrAlY-und NiTi-Schichten, Bornitrid ; generell Metall-Oxide) aufgetragen werden.

Figur 2 zeigt den selben Aufbau der Kurbelwelle (1), wie er in Figur 1 zu erkennen war, nochmals in einem Querschnitt.

In Figur 3 ist die besonders einfache (und damit kosten- günstige) Variante der erfindungsgemäßen Kurbelwelle (1) analog zu Figur 1 nochmals in einem Querschnitt durch die gesamt Kurbelwelle (1) dargestellt. Vorgesehen sind bei dieser einfachen Ausführung Metallformkörper (2) gleicher geometrischer Form (Zylinder) und gleicher Ausrichtung (Zylinderachse parallel zur Rotationsachse der Welle). Ohne fertigungstechnischen Mehraufwand können einfache zylindrische Metallformkörper (2) auch unterschiedliche Orientierungen (Zylinderachse mit Winkel zur Rotationsachse) aufweisen (nicht dargestellt).

Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem in exzentrischen Bereichen (3) der Kurbelwelle (1) gewinkelte Metallformkörper (2) mit abschnittsweise zylindrischem Profil (in der Art eines gebogenen Rohrs) eingebracht sind. Diese veränderte Geometrie bewirkt eine deutliche Erhöhung der Steifigkeit, so dass die mechanische Belastbarkeit der Kurbelwelle (2) trotz Gewichtsreduktion weitgehend erhalten bleibt. Durch Wahl des Winkels kann der Kraftfluss im Bereich des Metallformkörpers (2) definiert werden, wobei für die meisten Anforderungen ein Bereich des Winkels zwischen 15'bis 45'vorteilhaft ist, aber auch andere Werte sind natürlich nicht ausgeschlossen. In Figur 4 ist die Kurbelwelle (1) so dargestellt, dass sie die Metallformkörper (2) mit ausschließlich identischer Form (Winkel, Durchmesser) aufweist. In Abweichung von dem dargestellten Ausführungsbeispiel können für Anpassungen an die lokal unterschiedlichen Belastungen verschiedene gewinkelte Metallformkörper (2) (d. h. Variation in Winkel und Durchmesser) in der Kurbelwelle (1) zum Einsatz kommen.

Ein alternatives Ausführungsbeispiel ist in Figur 5 dargestellt, bei dem die Metallformkörper (2) mit variierendem Querschnitt und nahezu geschlossener Außenkontur vorgesehen sind. Durch die im Innenbereich aufgeweitete Form dieser Metallformkörper (2) ist die Materialreduktion relativ hoch und gleichzeitig der Spannungsverlauf günstig beeinflußt, so daß höhere Belastungen möglich sind. Diese Metallformkörper (2) können in verschiedenen Bereichen (axial, exzentrisch) der Welle eingebracht werden und auch mit anders geformten Metallformkörper (2) kombiniert werden.

Eine andere Möglichkeit der Gewichtsreduzierung ist in Figur 6 dargestellt. In dieser Ausführung werden keine durchgängigen Metallformkörper (2) eingesetzt, sondern kavernenartige Ausnehmungen (7) axial bzw. in exzentrischen Bereichen der Kurbekwelle (1) angebracht, in welche dann die entsprechnend geformten Metallhohlkörper (2) eingesetzt sind. Die Form der Ausnehmungen (7) und damit auch der Metallformkörper (2) kann dabei wie dargestellt konisch (auch mit unterschiedlichem Öffnungswinkel, vorzugsweise zwischen 15°-45°) ausgebildet sein. Ebenso können die Ausnehmungen (7) zueinander und zur Rotationsachse der Welle (1) unterschiedlich orientiert sein.

Variierende Größen und andere Formen (Kalotte, Kugelsegment, Ellipsenabschnitt, abgestumpfter Kegel, usw. ) sind ebenso möglich (nicht dargestellt). Vorzugsweise ist am Eintritt der Lager ein größerer Durchmesser vorhanden, zur Mitte der Lager ein kleinerer, um die Steifigkeit zu optimieren und auch in diesem Bereich eine Ölführung zu ermöglichen.

In der in Figur 6 dargestellten Ausführung sind identische Ausnehmungen (7) paarweise symmetrisch angeordnet, wodurch Stege (8) zwischen den Ausnehmungen verbleiben, die eine stabilisierende Wirkung haben. Grundsätzlich kann aber auch eine Kombination von Ausnehmungen (7) mit Metallformkörpern (2) und Metallformkörper (2) gemäß den verschiedenen zuvor beschriebenen Ausbildungen in einer Kurbelwelle (1) angewendet werden und für bestimmte Belastungsvorgaben vorteilhaft sein.

Eine mechanisch besonders stabile Ausführungsform ist in Figur 7 dargestellt. Dabei ist der gewichtsreduzierende Hohlraum in dem Metallfromkörper (2) ohne Öffnungen vollständig geschlossen im Material der Kurbelwelle (1) eingebettet. Dadurch und durch entsprechende Formgebung (z. B. elliptisch, kugelförmig) liefert diese Ausführung bezüglich des Kraftflusses höchste Belastungswerte, die-wie später noch erläutert wird-durch stabilisierendes Füllmaterial noch optimiert werden können.

Bei den Ausführungsbeispielen nach Figur 3,4 und 6 können die Metallformkörper (2) alternativ zum, sicherlich als bevorzugt anzusehenden Eingiessen, auch in zuvor hergestellte Hohlräume eingebracht und dort verklebt werden. Diese Variante ist insbesondere für die Ausführungsform gemäß Figur 6 interessant.

Die Gestaltung der Hohlräume kann dabei direkt beim Giessprozess durch das Einlegen der entsprechenden Metallformkörper (2), als Verstärkungselemente, z. B. aus hochschmelzendem Stahl oder Eisen, verschiedenster Geometrie (konisch, zylindrisch, geschlossen, einseitig offen, zweiseitig offen, massiv oder insbesondere auch hohl-wie bisher immer dargestellt-) und Wandstärken (auch über den Querschnitt variierend) dargestellt werden. Die im Bauteil verbleibenden Metallformkörper (2) führen durch ihren höheren E-Modul sowie ihre geometrische Form und Anordnung zu einer Versteifung der Kurbelwelle (1).

Darüber hinaus können solche hohl ausgebildeten Metallformkörper (2) als Verstärkungselemente auch zusätzlich mit einem stabilisierendem Füllmaterial (nicht dargestellt) ausgefüllt werden, so dass sich weitere festigkeitssteigernde Effekte ergeben. Hierzu werden vorzugsweise Materialien eingesetzt, die einerseits einer hohen mechanischen Belastung widerstehen können, andererseits im Vergleich zum massiven Material der Kurbelwelle (1) und des Metallformkörpers (2) ein deutlich geringeres Gewicht aufweisen. Ein Auffüllen der Metallformkörper (2) beispielsweise mit Metallschaum führt zu einer erheblichen Versteifung bei nur geringer Massezunahme der Kurbelwelle (1). Je nach Vorrang-Gewichtseinsparung bzw.

Festigkeit-sind unterschiedliche Metalle, z. B. Aluminium, Zink, Eisen, Stahl sowie Legierungen verwendbar.

Einerseits können die Metallschäume vor dem Giessen in die Metallformkörper (2) eingebracht werden oder andererseits auch im Nachhinein durch Ausschäumen der Hohlräume in den Metallformkörpern (2) mit entsprechendem Halbzeug (beispielsweise bestehend aus Metallpulver und Treibmittel, z. B. Titanhydrid und anschließender Wärmebehandlung mittels Ofen oder induktiv). Als Alternative können kleine Metallschaum-Stücke durch die verbleibenden Öffnungen in die Hohlräume eingebracht und dort verklebt werden. Diese Variante ist insbesondere für die Ausführungsform, welche gemäß Figur 6 erläutert wurde, interessant.

Die Verwendung von Metallschaum als stabilisierendes Füllmaterial hat den zusätzlichen Vorteil, dass Eigenschwingungen der Kurbelwelle (1) beim Lauf gedämpft werden. Die Laufruhe (Akustik, Vibration) der Kurbelwelle (1) wird dadurch deutlich verbessert.

Für die Herstellung von solchen Ausführungsformen der Kurbelwelle (1) wird beim Gießen der beschichtetet Metallformkörper (2) als Verdrängungskörper an den entsprechenden Positionen fixiert und so zumindest teilweise eingegossen, wobei die Beschichtung (6) dabei in der oben bereits beschrieben Form wirkt. Figur 8 zeigt die Fixierung solcher Verdrängungskörper in der Giessform (nicht dargestellt) durch Metallrohre (9), die vorzugsweise aus einem hochschmelzenden Eisen-oder Stahlwerkstoff bestehen und gleichzeitig Ölführungsrohre darstellen können. Die einzulegenden Verdrängungskörper werden dabei schon vor dem Einlegen mit den einzugießenden Metallrohren (1) verbunden, z. B. durch Schweißen.

Grundsätzlich kann bei allen vorgenannten Ausführungs- beispielen eine weitere Erhöhung der Steifigkeit der Kurbelwelle (1) durch Einbringen von Querrippen (nicht dargestellt) in die Metallformkörper (2) erfolgen. Die Kombination mit dem Füllmaterial ist selbstverständlich auch hier denkbar.

Neben diesem Versehen der Metallformkörper (2) mit Querrippen können diese zur weiteren Steigerung der Festigkeit auch massiv oder zumindest teilweise massiv ausgebildet sein, wie dies in Figur 9 dargestellt ist. Darüber hinaus ist in Figur 9 der gesamte Querschnitt der Metallformkörper (2) je Bereich der Kurbelwelle (1) auf eine Vielzahl von einzelnen Metallformkörpern (2) als Verstärkungselemente aufgeteilt.

Bei der Verwendung von Metallformkörper (2) mit einem großen Aussendurchmesser, so dass der gesamte gewünschte Querschnitt des Metallformkörpers (2) in einem Metallformkörper (2) je Bereich der Kurbelwelle (1) realisiert ist, durch Schrumpfungsprozesse bei der Abkühlung zu. erheblichen Eigenspannungen um den Metallformkörper (2) kommen. Die hierdurch auftretenden tangentialen Zugspannungen sind nachteilig und können im Extremfall sogar zu einer Zerstörung des die Metallformkörper (2) umgebenden Materials führen.

Durch ein Aufteilen des gesamten Querschnitts der Metallformkörper (2) je Bereich der Kurbelwelle (1) auf eine Vielzahl von einzelnen Metallformkörpern (2) können diese schädlichen Eigenspannungen reduziert werden. Werden die Metallformkörper (2) beim eingiessen außerdem so gelagert, dass sie beim Abkühlen der Kurbelwelle (1) wenigstens einen, insbesondere jedoch zwei Freiheitsgrade aufweisen, sich als entsprechend bewegen können, so wird das Entstehen von schädlichen Eigenspannungen bei der Abkühlung weiter verringert.

In Figur 9 ist außerdem zu erkennen, dass die Metallformkörper (2) jeweils in einem Abstand zur wenig oder nicht belasteten neutralen Faser der Kurbelwelle (1) angeordnet sind. Durch die Aufteilung des gesamten Querschnitts der Metallformkörper (2) je Bereich der Kurbelwelle (1) auf eine Vielzahl von einzelnen Metallformkörpern (2) können die einzelnen Metallformkörper (2) somit sehr leicht in den am höchsten belasteten Bereichen angeordnet werden, vergleichbar den Fasern bei einem Faserverbundwerkstoff. In idealer Weise könnte bei einer Ausführung gemäß Figur 9 im Bereich der neutralen Faser dann ein Hohlraum oder ein hohler Metallformkörper (2) angeordnet werden (nicht dargestellt).

Grundsätzlich ist dabei die Ausgestaltung und die Querschnittsgeometrie sämtlicher Metallformkörper (2) beliebig, so das diese jeweils an die gegebenen Belastungsanforderungen angepasst werden können. Außerdem lässt sich durch eine geeignete Querschnittsform auch eine Fixierung der Metallformkörper (2) in der Kurbelwelle erreichen, z. B. durch Querschittsformen mit Hinterschnitten oder dergleichen, welche eine formschlüssige Verbindung mit der Kurbelwelle (1) nach dem eingiessen sicherstellen.