DE102009049468A1

DE102009049468A1 - Unwuchtwelle

Info

Publication number: DE102009049468A1
Application number: DE102009049468A
Authority: DE
Inventors: Roland Eichler; Oliver Graf-Goller; Stefan Hess; Alexander Kern; Tobias Mederer; Peter Dr. Solfrank; Alexander Tasche; Patrick Ullmann
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-10-15
Filing date: 2009-10-15
Publication date: 2011-04-21

Abstract

Vorgeschlagen ist eine Unwuchtwelle (1', 1''), insbesondere zum Ausgleich von Massenkräften und/oder Massenmomenten einer Brennkraftmaschine (2), mit einem Unwuchtabschnitt (10, 11, 12), einem axial daran angrenzenden Lagerabschnitt (13', 13'') und einem darauf fest montierten Lagerring (21', 21''), dessen Außenmantelfläche (18) als Wälz- oder Gleitlagerlaufbahn für ein die Unwuchtwelle lagerndes Wälz- (14) bzw. Gleitlager dient, wobei der Lagerabschnitt eine von einem geraden Kreiszylinder abweichende Form aufweist derart, dass der Massenschwerpunkt (26) des Lagerabschnitts in Unwuchtrichtung (20) der Unwuchtwelle exzentrisch zu deren Drehachse (19) versetzt ist. Die Innenmantelfläche (22) des Lagerrings soll an diametral gegenüberliegenden Umfangsstellen (24, 25) des Lagerabschnitts abgestützt sein.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Unwuchtwelle mit einem Unwuchtabschnitt, einem axial daran angrenzenden Lagerabschnitt und einem auf dem Lagerabschnitt fest montierten Lagerring, dessen zylindrische Außenmantelfläche als Wälz- oder Gleitlagerlaufbahn für ein die Unwuchtwelle lagerndes Wälz- bzw. Gleitlager dient, wobei der Lagerabschnitt eine von einem geraden Kreiszylinder abweichende Form aufweist derart, dass der Massenschwerpunkt des Lagerabschnitts in Unwuchtrichtung der Unwuchtwelle exzentrisch zu deren Drehachse versetzt ist. Die Unwuchtwelle dient insbesondere zum Ausgleich von Massenkräften und/oder Massenmomenten einer Brennkraftmaschine.
Hintergrund der Erfindung
Gattungsgemäße Unwuchtwellen gehen aus der DE 10 2007 009 800 A1 und der nicht vorveröffentlichten DE 10 2009 035 112 A1 hervor. Eine signifikante Massenreduzierung der Unwuchtwelle wird jeweils dadurch erzielt, dass nicht nur die Unwuchtabschnitte sondern auch die Lagerabschnitte an der Erzeugung der Wellenunwucht beteiligt sind. Die Lagerabschnitte besitzen zu diesem Zweck eine von einem geraden Kreiszylinder abweichende Formgebung, nämlich die Form eines Zylindersegments mit einer Querschnittsfläche, die im wesentlichen spiegelsymmetrisch zur mitdrehenden Unwuchtrichtung ist und deren Flächenschwerpunkt exzentrisch zur Drehachse in Unwuchtrichtung verläuft. Demgegenüber handelt es sich bei dem geraden Kreiszylinder bekanntlich um einen geometrischen Körper, der in jeder Querschnittebene einen kreisförmigen Querschnitt hat.
Auf der jeweils kreisbogenförmigen Außenmantelfläche der Zylindersegmente ist ein Lagerring beispielsweise mittels eines Pressverbands fest montiert, um eine geschlossene, d. h. 360° betragende Laufbahn eines Gleitlagers oder für die Wälzkörper eines Wälzlagers zur radialen Lagerung der Unwuchtwelle in der Brennkraftmaschine zu bilden. Der Lagerring ist an der Umfangsstelle, die der Unwuchtrichtung diametral gegenüberliegt, freitragend.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Unwuchtwelle der eingangs genannten Art im Hinblick auf die konstruktive Gestaltung der Lagerstelle zu verbessern.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen den Unteransprüchen entnehmbar sind. Demnach soll die Innenmantelfläche des Lagerrings in einer Längsschnittebene, die durch die Drehachse und die Unwuchtrichtung der Unwuchtwelle aufgespannt wird, an diametral gegenüberliegenden Umfangsstellen des Lagerabschnitts abgestützt sein. Mit anderen Worten ist es im Gegensatz zum oben zitierten Stand der Technik vorgesehen, den Lagerring auch im gering oder gar nicht belasteten Umfangsbereich diametral gegenüberliegend der mitrotierenden Unwuchtrichtung auf dem Lagerabschnitt abzustützen. Dies ist vor allem vorteilhaft für die Dauerfestigkeit eines bevorzugt vorgesehenen Längs- oder Querpressverbands zwischen Lagerring und Lagerabschnitt.
Während der geschlossene Lagerring im Hinblick auf die geringe Masse der Unwuchtwelle möglichst dünnwandig ist und im Falle der Wälzlagerung zweckmäßigerweise aus einem Wälzlagerstahl wie 100Cr6 besteht, kann die Unwuchtwelle im übrigen als kostengünstig herstellbare Gusswelle ohne besondere Tragfähigkeit für einen Wälzkontakt und insbesondere als Stahlgussteil ausgeführt sein.
In einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung soll der Lagerabschnitt in einer Querschnittebene, die senkrecht zur Drehachse der Unwuchtwelle und innerhalb der Breite des Lagerrings verläuft, einen Kreisquerschnitt aufweisen. Das bedeutet, dass die Innenmantelfläche des Lagerrings axial lediglich teilweise, zugunsten eines weiterhin stabilisierten Pressverbands jedoch vollumfänglich auf dem Lagerabschnitt abgestützt ist.
Hierbei kann sich eine günstige Massenverteilung des Lagerabschnitts – d. h. dessen Massenschwerpunkt ist möglichst weit in Unwuchtrichtung exzentriert – dadurch ergeben, dass der Lagerabschnitt eine über dessen Umfang veränderliche Breite in Richtung der Drehachse aufweist, wobei die Breite des Lagerabschnitts an dessen in die Unwuchtrichtung weisender Umfangsstelle deutlich größer als an dessen dazu diametral gegenüberliegender Umfangsstelle ist.
In einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung soll der Lagerabschnitt in einer Querschnittebene, die senkrecht zur Drehachse der Unwuchtwelle und innerhalb der Breite des Lagerrings verläuft, einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt aufweisen. Das bedeutet, dass die Innenmantelfläche des Lagerrings in diesem Fall lediglich teilumfänglich auf dem Lagerabschnitt abgestützt ist.
Eine besonders günstige Massenverteilung eines derartigen Lagerabschnitts kann sich nun dadurch ergeben, dass der Lagerabschnitt einen im wesentlichen E-förmigen und zur Längsschnittebene spiegelsymmetrischen Querschnitt aufweist.
Im Falle der Wälzlagerung soll der Lagerring an einer freitragenden Umfangsstelle von zumindest einer und vorzugsweise mehreren Öffnungen radial durchsetzt sein, die über den Umfang und/oder in Richtung der Drehachse versetzt angeordnet auf der Wälzlagerlaufbahn austreten und zur Schmiermittelversorgung des Wälzlagers dienen.
Derartige Schmiermittelöffnungen, die beispielsweise durch Stanzen des Lagerrings herstellbar sind, stellen eine frei durchströmbare Verbindung zwischen der mit Ölnebel gefüllten Umgebung des Lagerabschnitts und der Laufbahn des Lagerrings dar, um die darauf abwälzenden Wälzkörper und die Laufbahn in ausreichender Menge mit drucklosem Schmiermittel versorgen zu können. Die Schmiermittelöffnungen sind vorteilhaft im gering oder gar nicht belasteten Umfangsbereich des Lagerrings, d. h. gegenüberliegend der in Unwuchtrichtung weisenden Lastzone zu positionieren. Somit ist die Laufbahn im Bereich der mitrotierenden Lastzone seitens des Massenschwerpunkts frei von Unterbrechungen und weist diesbezüglich eine maximale Tragfähigkeit für den Wälzkontakt auf.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Unwuchtwellen teilweise vereinfacht dargestellt sind. Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale oder Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigen:
1 die Lagerstelle einer ersten Unwuchtwelle in zwei Ansichten;
2 die Lagerstelle einer zweiten Unwuchtwelle in zwei Ansichten;
3 eine bekannte Unwuchtwelle in perspektivischer Darstellung und
4 eine bekannte Vorrichtung zum Massenausgleich einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung sei ausgehend von den 3 und 4 näher erläutert, in denen eine bekannte Unwuchtwelle 1 offenbart ist, die zum Ausgleich von Massenkräften zweiter Ordnung einer Hubkolben-Brennkraftmaschine in Vierzylinder-Reihenbauweise dient. Ein solches auch als Lancaster-Ausgleich bekanntes Massenausgleichsgetriebe geht aus dem in 4 dargestellten Getriebeschema hervor. Die Brennkraftmaschine 2 umfasst vier in Zylindern 3 oszillierende Kolben 4, deren Längsbewegung über Pleuel 5 in die Rotation der Kurbelwelle 6 umgesetzt wird. Diese treibt – hier über eine Zwischenwelle 7 – zwei Unwuchtwellen 1 mit Unwuchten 8 an, wobei die Unwuchtwellen 1 parallel zur Kurbelwelle 6 mit doppelter Kurbelwellendrehzahl gegenläufig rotieren.
Jede Unwuchtwelle 1, die an einem Antriebsabschnitt 9 beispielsweise über ein nicht dargestelltes Kettenrad oder Zahnrad angetrieben wird, umfasst drei Unwuchtabschnitte 10, 11 und 12 sowie zwei axial daran angrenzende Lagerabschnitte 13, an denen die Unwuchtwelle 1 in nicht dargestellten Gehäuselagerstellen der Brennkraftmaschine 2 radial wälzgelagert sind. Als Wälzlager kommen Nadelhülsen 14 zum Einsatz, die jeweils aus einem Käfig 15 mit darin geführten Nadeln 16 als Wälzkörper und einem spanlos hergestellten, dünnwandigen Außenring 17 bestehen. Die Außenmantelflächen 18 der Lagerabschnitte 13 dienen als Laufbahn für die Nadeln 16, und die Unwuchtwelle 1 ist im Hinblick auf den hoch belasteten Wälzkontakt als Stahlschmiedeteil hergestellt.
Zugunsten einer möglichst geringen Wellenmasse weisen sowohl die Unwuchtabschnitte 10, 11 und 12 als auch die Lagerabschnitte 13 Massenschwerpunkte auf, die zur Erzeugung der Wellenunwucht exzentrisch zur Drehachse 19 und in einer gemeinsamen Unwuchtebene verlaufen. Da es sich bei der Radiallagerung der Unwuchtwelle 1 bekanntermaßen um ein Umlaufverhältnis mit Punktlast an den Lagerabschnitten 13 sowie Umfangslast an den Gehäuselagerstellen der Brennkraftmaschine 2 handelt, bildet sich auf den Außenmantelflächen 18 der Lagerabschnitte 13 eine stationäre Lastzone aus, die bezüglich des Massenschwerpunkts diesseits der Drehachse 19 und symmetrisch zur Unwuchtebene verläuft. Demgegenüber ist der diametral gegenüberliegende Teilumfang der Lagerabschnitte 13 im wesentlichen lastfrei.
Die Punktbelastung der Lagerabschnitte 13 ermöglicht es, deren Außenmantelflächen 18 mit einer umfangsveränderlichen Breite in Richtung der Drehachse 19 zu gestalten. Wie es aus dem in 3 links dargestellten Lagerabschnitt 13 mit aufgeschnittener Nadelhülse 14 deutlich wird, ist dabei die Breite der Lagerabschnitte 13 an deren in die Unwuchtrichtung weisender Umfangsstelle deutlich größer als an deren dazu diametral gegenüberliegender Umfangsstelle, an der die Außenmantelfläche 18 einer allenfalls geringen Lagerlast ausgesetzt ist. Die Unwuchtrichtung ist durch den Pfeil 20 symbolisiert.
Bei den nachfolgend anhand der 1 und 2 erläuterten Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Unwuchtwellen 1' und 1'', die als vergleichsweise kostengünstige Stahlgusswellen ohne Anforderungen an eine Wälzlagerlaufbahn hergestellt sind, sind die Lagerabschnitte 13' bzw. 13'' mit Lagerringen 21' bzw. 21'' versehen, deren zylindrische Außenmantelflächen 18 als tribologisch hochbelastbare Wälzlagerlaufbahn dienen. Die Lagerringe 21', 21'' sind jeweils mittels eines Querpressverbands, bei welchem zur Montage der Lagerring 21', 21'' erwärmt und/oder die Unwuchtwelle 1', 1'' gekühlt wird, auf dem zugehörigen Lagerabschnitt 13', 13'' montiert. Eine stabilisiert dauerhafte Befestigung der Lagerringe 21', 21'' wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass die Innenmantelfläche 22 der Lagerringe 21', 21'' in einer Längsschnittebene 23, die durch die Drehachse 19 und die Unwuchtrichtung 20 der Unwuchtwellen 1', 1'' aufgespannt wird, an diametral gegenüberliegenden Umfangsstellen 24 und 25 der Lagerabschnitte 13', 13'' abgestützt ist.
Entsprechend der in 3 dargestellten Unwuchtwelle 1 haben die Lagerabschnitte 13', 13'' eine von einem geraden Kreiszylinder abweichende Formgebung mit einem in die Unwuchtrichtung 20 exzentrisch zur Drehachse 19 versetzten Massenschwerpunkt 26, so dass nicht nur die in den Einzelheiten gemäß den 1a, b und 2a, b dargestellten Unwuchtabschnitte 10 und 11 sondern auch die Lagerabschnitte 13', 13'' zur Erzeugung der Wellenunwucht beitragen.
Die 1a und 1b zeigen die Lagerstelle der Unwuchtwelle 1' mit Lagerabschnitt 13' und darauf befestigtem Lagerring 21'. Die Gestaltung des Lagerabschnitts 13' entspricht grundsätzlich derjenigen des in 3 dargestellten Lagerabschnitts 13 mit umfangsveränderlicher Breite in Richtung der Drehachse 19. Geometrisch betrachtet weist also der Lagerabschnitt 13' in einer Querschnittebene 27, die senkrecht zur Drehachse 19 und innerhalb der umfangskonstanten Breite des Lagerrings 21' verläuft, einen Kreisquerschnitt auf, so dass die Innenmantelfläche 22 des Lagerrings 21' axial lediglich teilweise, jedoch vollumfänglich auf dem Lagerabschnitt 13' abgestützt ist.
Die Schmiermittelversorgung der Wälzlagerlaufbahn 18 und der Wälzkörper (Nadeln 16 gemäß 3) erfolgt über Öffnungen 28, die den Lagerring 21' radial durchsetzen. Vorgesehen sind insgesamt sechs gestanzte Öffnungen 28, die an freitragenden Stellen des Lagerrings 21' verlaufen und über den lastarmen Teilumfang und – bezüglich der Querschnittebene 27 – in Richtung der Drehachse 19 versetzt, also zweireihig angeordnet sind. Über die Öffnungen 28 wird betrieblich entstehender Schmiermittelnebel mit Unterstützung der Zentrifugalbeschleunigung infolge Drehung der Unwuchtwelle 1' aus der Umgebung des Lagerabschnitts 13' zu den Wälzkontakten transportiert.
Die 2a und 2b zeigen die Lagerstelle der Unwuchtwelle 1'' mit Lagerabschnitt 13'' und darauf befestigtem Lagerring 21''. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Lagerabschnitt 13'' in der Querschnittebene 27 einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt auf, der im wesentlichen E-förmig und zur Längsschnittebene 23 spiegelsymmetrisch ist. Der E-förmige Querschnitt resultiert aus drei sich entgegen der Unwuchtrichtung 20 erstreckenden Rippen 29, 30 und 31, wobei die mittlere Rippe 30 die Breite des Lagerrings 21'' aufweist und sich die äußeren Rippen 29 und 31 entgegen der Unwuchtrichtung 20 in der Breite verjüngen. Die Freiräume zwischen den Rippen 29, 30 und 31 führen dazu, dass die Innenmantelfläche 22 des Lagerrings 21'' lediglich teilumfänglich, nämlich an der Umfangsstelle 25 lediglich auf der Rippe 30 auf dem Lagerabschnitt 13'' abgestützt ist.
Die Schmiermittelversorgung der Wälzlagerlaufbahn 18 und der Wälzkörper (Nadeln 16 gemäß 3) erfolgt in diesem Fall über vier über den Umfang versetzt angeordnete Öffnungen 28, die den Lagerring 21'' axial mittig, also einreihig radial durchsetzen.
Bezugszeichenliste

1: Unwuchtwelle
2: Brennkraftmaschine
3: Zylinder
4: Kolben
5: Pleuel
6: Kurbelwelle
7: Zwischenwelle
8: Unwucht
9: Antriebsabschnitt
10: Unwuchtabschnitt
11: Unwuchtabschnitt
12: Unwuchtabschnitt
13: Lagerabschnitt
14: Wälzlager/Nadelhülse
15: Käfig
16: Nadel/Wälzkörper
17: Außenring
18: Außenmantelfläche/Laufbahn
19: Drehachse der Unwuchtwelle
20: Unwuchtrichtung
21: Lagerring
22: Innenmantelfläche des Lagerrings
23: Längsschnittebene
24: Umfangsstelle
25: Umfangsstelle
26: Massenschwerpunkt
27: Querschnittebene
28: Schmiermittelöffnung
29: Rippe
30: Rippe
31: Rippe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007009800 A1 [0002]
DE 102009035112 A1 [0002]

Claims

Unwuchtwelle (1', 1''), insbesondere zum Ausgleich von Massenkräften und/oder Massenmomenten einer Brennkraftmaschine (2), mit einem Unwuchtabschnitt (10, 11, 12), einem axial daran angrenzenden Lagerabschnitt (13', 13'') und einem auf dem Lagerabschnitt (13', 13'') fest montierten Lagerring (21', 21''), dessen zylindrische Außenmantelfläche (18) als Wälz- oder Gleitlagerlaufbahn für ein die Unwuchtwelle (1', 1'') lagerndes Wälz- (14) bzw. Gleitlager dient, wobei der Lagerabschnitt (13', 13'') eine von einem geraden Kreiszylinder abweichende Form aufweist derart, dass der Massenschwerpunkt (26) des Lagerabschnitts (13', 13'') in Unwuchtrichtung (20) der Unwuchtwelle (1', 1'') exzentrisch zu deren Drehachse (19) versetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenmantelfläche (22) des Lagerrings (21', 21'') in einer Längsschnittebene (23), die durch die Drehachse (19) und die Unwuchtrichtung (20) der Unwuchtwelle (1', 1'') aufgespannt wird, an diametral gegenüberliegenden Umfangsstellen (24, 25) des Lagerabschnitts (13', 13'') abgestützt ist.
Unwuchtwelle (1', 1'') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine gegossene Unwuchtwelle handelt.
Unwuchtwelle (1') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerabschnitt (13') in einer Querschnittebene (27), die senkrecht zur Drehachse (19) der Unwuchtwelle (1') und innerhalb der Breite des Lagerrings (21') verläuft, einen Kreisquerschnitt aufweist, wobei die Innenmantelfläche (22) des Lagerrings (21') axial lediglich teilweise, jedoch vollumfänglich auf dem Lagerabschnitt (13') abgestützt ist.
Unwuchtwelle (1') nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerabschnitt (13') eine über dessen Umfang veränderliche Breite in Richtung der Drehachse (19) aufweist, wobei die Breite des Lagerabschnitts (13') an dessen in die Unwuchtrichtung (20) weisender Umfangsstelle (24) deutlich größer als an dessen dazu diametral gegenüberliegender Umfangsstelle (25) ist.
Unwuchtwelle (1'') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerabschnitt (13'') in einer Querschnittebene (27), die senkrecht zur Drehachse (19) der Unwuchtwelle (1'') und innerhalb der Breite des Lagerrings (21'') verläuft, einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt aufweist, so dass die Innenmantelfläche (22) des Lagerrings (21'') lediglich teilumfänglich auf dem Lagerabschnitt (13'') abgestützt ist.
Unwuchtwelle (1'') nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerabschnitt (13'') einen im wesentlichen E-förmigen und zur Längsschnittebene (23) spiegelsymmetrischen Querschnitt aufweist.
Unwuchtwelle (1', 1'') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring (21', 21'') an einer freitragenden Umfangsstelle von zumindest einer auf der Wälzlagerlaufbahn (18) austretenden Öffnung (28) zur Schmiermittelversorgung des Wälzlagers (14) radial durchsetzt ist.
Unwuchtwelle (1', 1'') nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring (21', 21'') von mehreren über den Umfang und/oder in Richtung der Drehachse (19) versetzt angeordneten Schmiermittelöffnungen (28) durchsetzt ist.