DE202007011678U1

DE202007011678U1 - Ausgleichswelle

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Publication number: DE202007011678U1
Application number: DE202007011678U
Authority: DE
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-08-21
Filing date: 2007-08-21
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2017-08-22

Abstract

Ausgleichswelle (1, 1a, 1b, 1c, 1d) zum Ausgleich von Massenkräften und/oder Massenmomenten einer Hubkolben-Brennkraftmaschine (13), mit zumindest einem Lagerzapfen (2a, 2b, 2c, 2d), an dessen Außenmantelfläche (3a, 3b, 3c, 3d) die Ausgleichswelle (1a, 1b, 1c, 1d) in einer Gehäuselagerstelle (10) der Hubkolben-Brennkraftmaschine (13) radial gelagert ist, und mit zumindest einem an den Lagerzapfen (2a, 2b, 2c, 2d) axial angrenzenden Unwuchtabschnitt (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Außenmantelfläche (3a, 3b, 3c, 3d) des Lagerzapfens (2a, 2b, 2c, 2d) auf der der Unwuchtrichtung abgewandten Seite des Unwuchtabschnitts (4) geometrisch durch einen zylindrischen Abschnitt (5) des Lagerzapfens (2a, 2b, 2c, 2d) und durch einen oder mehrere Axialvorsprünge (7a, 7b, 7c, 7d) gebildet ist, welche Axialvorsprünge (7a, 7b, 7c, 7d) unter Bildung eines radialen Hinterschnitts (6) kragenartig vom zylindrischen Abschnitt (5) ausgehen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Ausgleichswelle zum Ausgleich von Massenkräften und/oder Massenmomenten einer Hubkolben-Brennkraftmaschine. Die Ausgleichswelle weist zumindest einen Lagerzapfen, an dessen Außenmantelfläche die Ausgleichswelle in einer Gehäuselagerstelle der Hubkolben-Brennkraftmaschine radial gelagert ist, und zumindest einen an den Lagerzapfen axial angrenzenden Unwuchtabschnitt auf.
Hintergrund der Erfindung
Eine derartige Ausgleichswelle geht aus der als gattungsbildend betrachteten DE 10 2004 014 014 A1 hervor. Die dort vorgeschlagene Ausgleichswelle weist zwei Lagerzapfen mit jeweils beidseitig angrenzenden Unwuchtabschnitten auf. Die mit der Ausgleichswelle rotierende Unwuchtwirkung der Unwuchtabschnitte wirkt bekanntermaßen den freien Massenkräften und/oder -momenten der Hub kolben-Brennkraftmaschine gezielt entgegen, indem der Krafteintrag der Unwucht über die Lagerzapfen in zugehörige Gehäuselagerstellen der Hubkolbenbrennkraftmaschine erfolgt. Die relativ zu den Lagerzapfen stillstehende Unwuchtrichtung führt auf der der Unwuchtrichtung zugewandten Seite des Unwuchtabschnitts zur Ausbildung einer Lastzone auf dem Lagerzapfen, während dieser auf der der Unwuchtrichtung abgewandten Seite des Unwuchtabschnitts lastfrei oder durch dynamische Einflüsse allenfalls gering belastet ist. Folglich sind massiv ausgebildete Lagerzapfen einer Ausgleichswelle gemäß der zitierten Druckschrift in deren lastfreiem bzw. lastarmem Umfangsbereich mechanisch überdimensioniert. Eine derartige Überdimensionierung ist jedoch gleichbedeutend mit einem nicht erforderlichen Mitführen von Werkstoff und folglich Masse und steht dem weiter zunehmenden Bestreben nach Ressourcen und Umwelt schonendem Leichtbau insbesondere im Automobilbereich unmittelbar entgegen.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ausgleichswelle der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass der genannte Nachteil mit einfachen Mitteln beseitigt ist. Demnach soll die Ausgleichswelle bei gleicher oder verbesserter Funktion eine gegenüber bekannten Ausführungen deutliche Massenreduzierung aufweisen.
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 Außenmantelfläche des Lagerzapfens auf der der Unwuchtrichtung abgewandten Seite des Unwuchtabschnitts geometrisch durch einen zylindrischen Abschnitt des Lagerzapfens und durch einen oder mehrere Axialvorsprünge gebildet sein, die unter Bildung eines radialen Hinterschnitts kragenartig vom zylindrischen Abschnitt ausgehen. Durch den oder die radialen Hinterschnitte wird der Lagerzapfen auf der der Unwuchtrichtung abgewandten Seite des Unwuchtabschnitts, d. h. an seinem lastfreien oder lastarmen Umfangsbereich, gleichsam ausgehöhlt, während der verbleibende zylindrische Abschnitt für eine nach wie vor günstige Struktursteifigkeit des Lagerzapfens in Querrichtung der Ausgleichswelle sorgt. Die Leichtbaukonstruktion der Ausgleichswelle resultiert dabei nur zum Teil auf derjenigen Masse, die der Aushöhlung des Lagerzapfens entspricht. Einen erheblichen und in der Regel weitaus größeren Anteil an der Massenreduzierung hat vielmehr die aus einer solchen Lagerzapfengestaltung unmittelbar folgende Möglichkeit und/oder Notwendigkeit, die ursprüngliche Unwuchtwirkung einer Ausgleichswelle mit massiv zylindrischen Lagerzapfen wiederherzustellen. Dementsprechend kann bzw. muss eine durch die Aushöhlung des Lagerzapfens verursachte Weiteverlagerung des exzentrischen Massenschwerpunkts in Unwuchtrichtung der Ausgleichswelle dadurch kompensiert werden, dass der Ausgleichswelle auch auf der der Unwuchtrichtung zugewandten Seite des Unwuchtabschnitts Material außerhalb des Lagerzapfens entnommen wird.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung soll der Lagerzapfen, bei entsprechender axialer Anordnung des zylindrischen Abschnitts im Lagerzapfen sowie bei entsprechender Anzahl, Anordnung und Ausbildung der Axialvorsprünge, spiegelsymmetrisch zur Quermittelebene seiner Außenmantelfläche ausgebildet sein. Mit anderen Worten soll der zylindrische Abschnitt axial mittig im Lagerzapfen verlaufen, während zu beiden Seiten des zylindrischen Abschnitts beispielsweise jeweils ein ununterbrochener Axialvorsprung oder mehrere voneinander unabhängige und zum zylindrischen Abschnitt paarweise spiegelsymmetrisch ausgebildete Axialvorsprünge vorgesehen sein können. Wie es an einem später erläuterten Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert ist, kann es alternativ jedoch auch vorgesehen sein, den zylindrischen Abschnitt axial außermittig im Lagerzapfen und beispielsweise endseitig in diesem anzuordnen, wo bei dann der oder die Axialvorsprünge nur einseitig vom zylindrischen Abschnitt ausgehen.
Außerdem ist es insbesondere im Hinblick auf eine Ausbildung des Lagerzapfens als hydrodynamische Gleitlagerstelle zweckmäßig, wenn die Anzahl, Anordnung und Ausbildung der Axialvorsprünge derart gewählt wird, dass die Außenmantelfläche des Lagerzapfens eine über dessen Umfang konstante Breite aufweist. Unabhängig von der lokalen Belastung des Lagerzapfens in Unwuchtrichtung wird hierdurch der Aufbau eines tragfähigen Schmierfilms im Gleitlager gewährleistet.
Weiterhin sollen die Anzahl, Anordnung und Ausbildung der Axialvorsprünge auch derart gewählt werden können, dass die Außenmantelfläche des Lagerzapfens eine über dessen Umfang veränderliche Breite aufweist, wobei die Außenmantelfläche auf der der Unwuchtrichtung abgewandten Seite des Unwuchtabschnitts gegenüber der der Unwuchtrichtung zugewandten Seite des Unwuchtabschnitts deutlich verjüngt ist. Eine derartige Gestaltung der Außenmantelfläche schöpft konsequent das eingangs erläuterte Leichtbaupotenzial aus, das sich durch die allenfalls nur geringe Belastung des Lagerzapfens auf der der Unwuchtrichtung abgewandten Seite des Unwuchtabschnitts bietet. Eine diesbezüglich besonders vorteilhafte Ausführung des Lagerzapfens ist dann gegeben, wenn die minimale Breite der verjüngten Außenmantelfläche im wesentlichen der Breite des zylindrischen Abschnitts entspricht.
Unabhängig davon, ob die Außenmantelfläche eine über den Umfang des Lagerzapfens veränderliche oder konstante Breite aufweist, ist es als Alternative nicht nur zu einer hydrodynamischen, sondern auch zu einer mechanischen Gleitlagerung ferner vorgesehen, dass die Außenmantelfläche des Lagerzapfens als Lagersitz für ein Wälzlager dient, mittels welchem die Ausgleichswelle in der Gehäuselagerstelle der Hubkolben-Brennkraftmaschine gelagert ist. Eine radiale bauraumsparende und kostengünstige Radiallagerung der Ausgleichswelle ist insbesondere dann gegeben, wenn das Wälzlager als Nadelhülse ausgebildet ist, wobei die Außenmantelfläche des Lagerzapfens in diesem Fall als Innenlaufbahn für die Nadeln der Nadelhülse dient. Bei der Nadelhülse handelt es sich bekanntermaßen um eine Baueinheit, bestehend aus einem spanlos geformten dünnwandigen Außenring, einem Käfig und darin angeordneten Nadeln.
Darüber hinaus soll es sich bei der Hubkolben-Brennkraftmaschine um eine Vierzylinder-Reihenmaschine mit zwei gegenläufig mit doppelter Kurbelwellendrehzahl rotierenden Ausgleichswellen handeln. Diese dem Fachmann auch als Lancaster-Ausgleich bekannte Anordnung der Ausgleichswellen dient zum Ausgleich der freien Massenkräfte zweiter Ordnung.
Schließlich sollen die vorgenannten Merkmale und Ausgestaltungen auch beliebig miteinander kombiniert werden können, sofern es möglich und zweckmäßig ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Ausgleichswellen perspektivisch und teilweise vereinfacht dargestellt sind. Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale oder Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigen:
1 einen Ausschnitt einer Ausgleichswelle mit in der Breite konstanter Außenmantelfläche eines spiegelsymmetrischen Lagerzapfens;
2 einen Ausschnitt einer Ausgleichswelle mit in der Breite konstanter Außenmantelfläche eines nicht spiegelsymmetrischen Lagerzapfens;
3 einen Ausschnitt einer Ausgleichswelle mit in der Breite veränderlicher Außenmantelfläche eines spiegelsymmetrischen Lagerzapfens;
4 eine Gesamtdarstellung einer wälzgelagerten Ausgleichswelle und
5 eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Massenausgleich in schematischer Darstellung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In den 1 bis 3 sind für das Verständnis der Erfindung wesentliche Abschnitte von stark vereinfacht dargestellten Ausgleichswellen 1a, 1b und 1c offenbart, die zum Ausgleich von Massenkräften und/oder Massenmomenten einer Hubkolben-Brennkraftmaschine dienen. Dargestellt sind Lagerzapfen 2a, 2b und 2c, an deren Außenmantelflächen 3a, 3b und 3c die Ausgleichswellen 1a, 1b, 1c jeweils in einer hier nicht dargestellten Gehäuselagerstelle der Hubkolben- Brennkraftmaschine radial gelagert sind. Beidseitig der Lagerzapfen 2a, 2b, 2c verlaufen axial an diese angrenzende Unwuchtabschnitte 4, deren Unwucht den freien Massenkräften und/oder -momenten der Hubkolben-Brennkraftmaschine in bekannter Weise definiert entgegenwirkt. Die Lagerzapfen 2a, 2b, 2c lassen sich, geometrisch betrachtet, jeweils in einen gestrichelt dargestellten zylindrischen Abschnitt 5 und einen oder mehrere Axialvorsprünge unterteilen, die auf der der Unwuchtrichtung abgewandten Seite der Unwuchtabschnitte 4 kragenartig von den zylindrischen Abschnitten 5 ausgehen. Diese geometrische Betrachtung gilt in analoger Weise für die Kontur der Außenmantelflächen 3a, 3b, 3c der Lagerzapfen 2a, 2b, 2c.
Der in 1 dargestellte Lagerzapfen 2a ist spiegelsymmetrisch zur Quermittelebene seiner Außenmantelfläche 3a ausgebildet, indem der zylindrische Abschnitt 5 axial mittig zur Außenmantelfläche 3a verläuft und von beiden Seiten des zylindrischen Abschnitts 5 jeweils ein über den Umfangsbereich ununterbrochener und einen radialen Hinterschnitt 6 bildender Axialvorsprung 7a ausgeht. Wie eingangs erläutert, sind die radialen Hinterschnitte 6 mit einer die Masse reduzierenden Aushöhlung eines massiv zylindrischen Lagerzapfens gleichzusetzen, wobei die Massenreduzierung zu einer zusätzlichen Verlagerung des Massenschwerpunkts in Unwuchtrichtung der Ausgleichswellen 1a, 1b, 1c führt. Diese zusätzliche Verlagerung kann oder muss durch entsprechendes Entfernen von Material an den Unwuchtabschnitten 4, gleichbedeutend mit einer über die Aushöhlung der Lagerzapfen 2a, 2b und 2c hinausgehenden Massenreduzierung, kompensiert werden.
Der in 2 dargestellte Lagerzapfen 2b unterscheidet sich von dem Lagerzapfen 2a dadurch, dass der zylindrische Abschnitt 5 bezüglich der Außenmantelfläche 3b hier nicht axial mittig, sondern endseitig angeordnet ist. Der folglich zur Quermittelebene der Außenmantelfläche 3b nicht spiegelsymmetrisch ausgebildete Lagerzapfen 2b weist dementsprechend lediglich einen Axialvorsprung 7b und einen durch diesen gebildeten radialen Hinterschnitt 6 auf.
Während die Außenmantelflächen 3a, 3b der in den 1 und 2 dargestellten Lagerzapfen 2a, 2b eine über deren Umfang konstante Breite aufweisen, ist die Außenmantelfläche 3c des Lagerzapfens 2c gemäß 3 auf der der Unwuchtrichtung abgewandten Seite der Unwuchtabschnitte 4 deutlich verjüngt, wobei hier die minimale Breite der Außenmantelfläche 3c der Breite 8 des zylindrischen Abschnitts 5 entspricht. Der zur Quermittelebene seiner Außenmantelfläche 3c wiederum spiegelsymmetrisch ausgebildete Lagerzapfen 2c weist auf jeder Seite des zylindrischen Abschnitts 5 jeweils zwei voneinander getrennte und paarweise spiegelsymmetrisch zur Quermittelebene ausgehende Axialvorsprünge 7c mit den zugehörigen radialen Hinterschnitten 6 auf.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgleichswelle 1d in vollständiger Darstellung. Die Ausgleichswelle 1d wird an einem Antriebsabschnitt 9 beispielsweise über ein Kettenrad oder ein Zahnrad angetrieben und umfasst zwei Lagerzapfen 2d, an deren Außenmantelflächen 3d die Ausgleichswelle 1d in hier nur angedeuteten Gehäuselagerstellen 10 der Hubkolben-Brennkraftmaschine mittels Wälzlagern 11 radial gelagert ist. Die Ausbildung der Lagerzapfen 2d mit axial mittig angeordnetem zylindrischen Abschnitt 5 und davon beidseitig ausgehenden Axialvorsprüngen 7d ist identisch und entspricht geometrisch dem in 3 dargestellten Lagerzapfen 2c, wobei deren Außenmantelflächen 3d je weils als Innenlaufbahn für die Nadeln der hier jeweils als Nadelhülse ausgebildeten Wälzlager 11 dienen.
Im Hinblick auf ausgeführte Ausgleichswellen sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass unter dem Begriff „zylindrischer Abschnitt" weniger ein Zylinder im streng geometrischen Sinn (wie insbesondere in 3 dargestellt) zu verstehen ist, sondern vielmehr auch ein Lagerzapfenabschnitt, der im wesentlichen die Form eines Zylinders aufweist. So können beispielsweise Ausformschrägen, die zur Herstellung gegossener oder geschmiedeter Ausgleichswellen erforderlich sind, dazu führen, dass die Breite des zylindrischen Abschnitts 5 im verjüngten Umfangsbereich des Lagerzapfens 2c oder 2d die Breite des in 3 gestrichelt dargestellten Bereichs unterschreitet. Entsprechendes gilt für Fasen oder dergleichen, so dass sich beispielsweise die in 3 dargestellte minimale Breite der Außenmantelfläche 3c tatsächlich aus der Breite 8 des zylindrischen Abschnitts 5 abzüglich der Fasen und/oder der Ausformschrägen ergäbe.
Zur Versteifung der Ausgleichswelle 1d dienen von den Lagerzapfen 2d ausgehende Streben 12, die eine Deformation der Ausgleichswelle 1d auch bei sehr hohen Drehzahlen insbesondere im Hinblick auf eine unzulässige Verkippung der Lagerzapfen 2d in den Nadelhülsen 11 in ertragbaren Grenzen hält.
Die bevorzugte Anwendung der Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine in 4-Zylinder-Reihenbauweise mit einem auch als Lancaster-Ausgleich bekannten Massenausgleichsgetriebe zum Ausgleich freier Massenkräfte zweiter Ordnung. Eine solches Massenausgleichsgetriebe geht aus dem in 5 dargestellten Getriebeschema der dort mit 13 bezeichneten Hubkolben-Brennkraftmaschine hervor. Diese umfasst in bekannter Art und Weise einen in einem Zylinder 14 oszillierenden Kolben 15, dessen Längsbewegung über ein Pleuel 16 in eine Rotation einer Kurbelwelle 17 umgesetzt wird. Die Kurbelwelle 17 treibt – hier über eine Zwischenwelle 18 – zwei Ausgleichswellen 1 mit Unwuchten 19 an, wobei die Ausgleichswellen 1 parallel zur Kurbelwelle 17 mit doppelter Kurbelwellendrehzahl gegenläufig rotieren.

1, 1a–d: Ausgleichswelle
2a–d: Lagerzapfen
3a–d: Außenmantelfläche
4: Unwuchtabschnitt
5: zylindrischer Abschnitt
6: radialer Hinterschnitt
7a–d: Axialvorsprung
8: Breite des zylindrischen Abschnitts
9: Antriebsabschnitt
10: Gehäuselagerstelle
11: Wälzlager/Nadelhülse
12: Strebe
13: Hubkolben-Brennkraftmaschine
14: Zylinder
15: Kolben
16: Pleuel
17: Kurbelwelle
18: Zwischenwelle
19: Unwucht

Claims

Ausgleichswelle (1, 1a, 1b, 1c, 1d) zum Ausgleich von Massenkräften und/oder Massenmomenten einer Hubkolben-Brennkraftmaschine (13), mit zumindest einem Lagerzapfen (2a, 2b, 2c, 2d), an dessen Außenmantelfläche (3a, 3b, 3c, 3d) die Ausgleichswelle (1a, 1b, 1c, 1d) in einer Gehäuselagerstelle (10) der Hubkolben-Brennkraftmaschine (13) radial gelagert ist, und mit zumindest einem an den Lagerzapfen (2a, 2b, 2c, 2d) axial angrenzenden Unwuchtabschnitt (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Außenmantelfläche (3a, 3b, 3c, 3d) des Lagerzapfens (2a, 2b, 2c, 2d) auf der der Unwuchtrichtung abgewandten Seite des Unwuchtabschnitts (4) geometrisch durch einen zylindrischen Abschnitt (5) des Lagerzapfens (2a, 2b, 2c, 2d) und durch einen oder mehrere Axialvorsprünge (7a, 7b, 7c, 7d) gebildet ist, welche Axialvorsprünge (7a, 7b, 7c, 7d) unter Bildung eines radialen Hinterschnitts (6) kragenartig vom zylindrischen Abschnitt (5) ausgehen.
Ausgleichswelle (1a, 1c, 1d) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die axiale Anordnung des zylindrischen Abschnitts (5) im Lagerzapfen (2a, 2c, 2d) sowie die Anzahl, Anordnung und Ausbildung der Axialvorsprünge (7a, 7c, 7d) derart, dass der Lagerzapfen (2a, 2c, 2d) spiegelsymmetrisch zur Quermittelebene seiner Außenmantelfläche (3a, 3c, 3d) ausgebildet ist.
Ausgleichswelle (1a, 1b) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anzahl, Anordnung und Ausbildung der Axialvorsprünge (7a, 7b) derart, dass die Außenmantelfläche (3a, 3b) des Lagerzapfens (2a, 2b) eine über dessen Umfang konstante Breite aufweist.
Ausgleichswelle (1c, 1d) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anzahl, Anordnung und Ausbildung der Axialvorsprünge (7c, 7d) derart, dass die Außenmantelfläche (3c, 3d) des Lagerzapfens (2c, 2d) eine über dessen Umfang veränderliche Breite aufweist, wobei die Außenmantelfläche (3c, 3d) auf der der Unwuchtrichtung abgewandten Seite des Unwuchtabschnitts (4) gegenüber der der Unwuchtrichtung zugewandten Seite des Unwuchtabschnitts (4) deutlich verjüngt ist.
Ausgleichswelle (1c, 1d) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Breite der Außenmantelfläche (3c, 3d) im wesentlichen der Breite (8) des zylindrischen Abschnitts (5) entspricht.
Ausgleichswelle (1d) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenmantelfläche (3d) des Lagerzapfens (2d) als Lagersitz für ein Wälzlager (11) dient, mittels welchem Wälzlager (11) die Ausgleichswelle (1d) in der Gehäuselagerstelle (10) der Hubkolben-Brennkraftmaschine (13) gelagert ist.
Ausgleichswelle (1d) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (11) als Nadelhülse ausgebildet ist, wobei die Außenmantelfläche (3d) des Lagerzapfens (2d) als Innenlaufbahn für die Nadeln der Nadelhülse dient.
Ausgleichswelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Hubkolben-Brennkraftmaschine (13) um eine Vierzylinder-Reihenmaschine mit zwei gegenläufig mit doppelter Kurbelwellendrehzahl rotierenden Ausgleichswellen (1) handelt.