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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Welle, insbesondere Ausgleichswelle einer
Vorrichtung zum Ausgleich von Massenkräften und/oder Massenmomenten
einer Hubkolben-Brennkraftmaschine. Die Welle ist an einem oder
mehreren Lagerzapfen in einem mit Schmierölnebel beaufschlagten Gehäuse drehbar gelagert,
wobei wenigstens einer der Lagerzapfen einen oder beide an diesen
angrenzende Wellenabschnitte zumindest innerhalb eines Teilumfangs
radial überragt
und wobei innerhalb des Teilumfangs zwischen dem wenigstens einen
Lagerzapfen und dem einen oder den beiden angrenzenden Wellenabschnitten
jeweils eine oder mehrere, sich radial auswärts erstreckende Rippen verlaufen.
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Hintergrund der Erfindung
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Eine
derartige Welle geht aus der
US 6,305,339 B1 hervor, in der die Welle
als Ausgleichswelle eines dem Fachmann auf dem Gebiet von Hubkolben-Brennkraftmaschinen
bekannten Massenausgleichsgetriebes ausgebildet ist. Die dort vorgeschlagene
Ausgleichswelle weist beidseitig eines Lagerzapfens angeordnete
Unwuchten auf, während der
Lagerzapfen die an diesen angrenzenden Wellenabschnitte innerhalb
eines Teilumfangs, der den Unwuchten diametral gegenüberliegt,
radial deutlich überragt.
Zur Versteifung der Ausgleichswelle sind Rippen vorgesehen, die
innerhalb des Teilumfangs zwischen dem Lagerzapfen und den angrenzenden Wellenabschnitten
verlaufen.
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Als
Lagermittel ist eine zwischen dem Gehäuse des Massenausgleichsgetriebes
und dem Lagerzapfen angeordnete Gleitlagerschale eines hydrodynamischen
Gleitlagers vorgesehen. Voraussetzung für die Ausbildung eines ausreichend
tragfähigen
Schmierfilms in einem solchen Gleitlager ist jedoch eine definierte
Schmierölversorgung
der Lagerstelle, die insbesondere im Fall der üblicherweise kostensensitiven
Hubkolben-Brennkraftmaschinen zu unerwünschten Zusatzkosten aufgrund
der hierfür erforderlichen
Bohrungen und/oder Kanälen
führt. Eine
weiterhin nachteilige Eigenschaft der hydrodynamischen Gleitlagerung
ergibt sich aus dem Zusammenhang zwischen der Viskosität des Schmieröls und den
Reibleistungsverlusten, die insbesondere bei tiefen Temperaturen
und hochviskosem Schmieröl
zu einem erheblichen Anteil an der Verlustleistung der Hubkolben-Brennkraftmaschine
bzw. einer die Welle antreibenden Maschine im allgemeinen beitragen
kann.
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Aufgabe der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Welle
der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass die aufgezeigten
Nachteile vermieden werden. Demnach sollen der oder die Lagerzapfen
der Welle über
konstruktiv möglichst einfach
gestaltete Lagerstellen einschließlich einer aufwandsarm herstellbaren
Anschlusskonstruktion zur ausreichenden Schmierölversorgung der Lagerstellen
im Gehäuse
drehgelagert sein. Darüber
hinaus soll die Lagerung der Welle möglichst reibungsarm und weitgehend
frei von Viskositätseinflüssen des
Schmieröls
auf die beim Antrieb der Welle abfallende Reibleistung erfolgen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Welle an dem wenigstens einen Lagerzapfen über ein
lediglich durch den Schmierölnebel
geschmiertes Wälzlager
im Gehäuse gelagert
ist, wobei zumindest eine der zu dem wenigstens einen Lagerzapfen
zugehörigen
Rippen unter einem Anstellwinkel geneigt zur Drehachse der Welle
verläuft
und als Schaufel zur Förderung
des Schmierölnebels
in das Wälzlager
dient.
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Der
im Gehäuse
ohnehin anfallende Schmierölnebel
wird also dazu genutzt, das für
niedrige und weitgehend temperaturunabhängige Reibleistungsverluste
sowie für
günstige
Herstellkosten an sich bekannte Wälzlager ausreichend mit Schmieröl zu versorgen,
indem sich abhängig
vom Anstellwinkel der einzelnen Rippe entweder eine von dieser zum
Wälzlager
hin gerichtete Umlenkung oder Druckströmung des Schmierölnebels
oder aber eine durch das Wälzlager
hindurch zur Rippe gerichtete Saugströmung des Schmierölnebels
bei Rotation der Welle einstellt. Im Falle einer Ausgleichswelle
mit Versteifungsrippen, wie sie in der eingangs zitierten Druckschrift
vorgeschlagen sind, brauchen diese lediglich um den Anstellwinkel
verdreht und können
somit kostenneutral auf der Ausgleichswelle angeordnet werden.
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Wie
es dem Fachmann auf dem Gebiet von Strömungsmaschinen bekannt ist,
sollen die als Schaufeln ausgebildeten Rippen selbstverständlich nicht
nur auf ebene Rippen mit einem konstanten Anstellwinkel beschränkt sein,
sondern können
auch ein hinsichtlich der zu erzielenden Strömung oder Umlenkung angepasstes
Profil einschließlich
eines über der
axialen Erstreckung veränderlichen
Anstellwinkels aufweisen.
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In
Weiterbildung der Erfindung soll das Wälzlager als Nadellager mit
einem spanlos hergestellten, dünnwandigen
Außenring,
einem Käfig
und darin geführten
Nadeln ausgebildet sein. Ein solches auch als Nadelhülse bezeichnetes
Nadellager bietet sich zur besonders kostengünstigen und radial kompakt
bau enden Wälzlagerung
der Welle an, wobei der Lagerzapfen als innere Laufbahn für die Nadeln dient.
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Außerdem kann
es vorgesehen sein, dass die Rippen, die zwischen dem wenigstens
einen Lagerzapfen und dem an diesen angrenzenden einen Wellenabschnitt
verlaufen, in Umfangsrichtung der Welle einen bezüglich der
Förderrichtung
des Schmierölnebels
gleichwirkend orientierten Anstellwinkel aufweisen. Im Falle einer
Welle, deren betriebliche Drehrichtung fest vorgegeben und hier
als Normaldrehrichtung bezeichnet ist, soll der Schmierölnebel bei
dieser Normaldrehrichtung aus Richtung des an den Lagerzapfen angrenzenden
Wellenabschnitts zum Wälzlager
hin gefördert
werden, so dass sich die vorstehend erläuterte Druckströmung oder
Umlenkung des Schmierölnebels
aus Richtung der jeweiligen Rippe in das Wälzlager hinein einstellt.
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Eine
beidseitige Schmierölversorgung
des Wälzlagers
aus Richtung beider angrenzender Wellenabschnitte kann zudem dadurch
erfolgen, dass ebenfalls die Rippen, die zwischen dem wenigstens einen
Lagerzapfen und dem an diesen angrenzenden anderen Wellenabschnitt
verlaufen, in Umfangsrichtung der Welle einen bezüglich der
Förderrichtung
des Schmierölnebels
gleichwirkend orientierten Anstellwinkel aufweisen derart, dass
der Schmierölnebel
bei vorgegebener Normaldrehrichtung der Welle sowohl aus Richtung
des einen Wellenabschnitts als auch aus Richtung des anderen Wellenabschnitts zum
Wälzlager
hin gefördert
wird.
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Demgegenüber kann
eine von der Drehrichtung der Welle weitgehend unabhängige Schmierölversorgung
des Wälzlagers
dadurch sichergestellt werden, dass ebenfalls die Rippen, die zwischen dem
wenigstens einen Lagerzapfen und dem an diesen angrenzenden anderen
Wellenabschnitt verlaufen, in Umfangsrichtung der Welle einen bezüglich der
Förderrichtung
des Schmierölnebels
gleichwirkend orientierten Anstellwinkel aufweisen derart, dass
bei einer ersten Drehrichtung der Welle der Schmierölnebel in
Richtung des einen Wellenabschnitts vom Wälzlager weg und aus Richtung
des anderen Wellenabschnitts zum Wälzlager hin gefördert wird,
und dass bei der entgegengesetzten, zweiten Drehrichtung der Welle
der Schmierölnebel
aus Richtung des einen Wellenabschnitts zum Wälzlager hin und in Richtung
des anderen Wellenabschnitts vom Wälzlager weg gefördert wird.
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Somit
kann der durch das Wälzlager
geleitete Schmierölstrom
unabhängig
von der Drehrichtung der Welle durch Überlagerung der beidseitig
des Lagerzapfens erzeugten Druck- bzw. Saugförderung des Schmierölnebels
erhöht
werden.
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Eine
weitere, von der Drehrichtung der Welle unabhängige Schmierölversorgung
des Wälzlagers kann
auch dadurch erzeugt werden, dass die Rippen, die zwischen dem wenigstens
einen Lagerzapfen und dem einen oder den beiden an diesen angrenzenden
Wellenabschnitten verlaufen, in Umfangsrichtung der Welle ungleichwirkend
orientierte Anstellwinkel mit zum Wälzlager hin und vom Wälzlager weg
alternierender Förderrichtung
des Schmierölnebels
aufweisen.
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Schließlich soll
es sich bei der Hubkolben-Brennkraftmaschine um eine Vierzylinder-Reihenmaschine
mit zwei gegenläufig
rotierenden Ausgleichswellen handeln, wobei die Ausgleichswellen parallel
zur Längsachse
der Kurbelwelle der Hubkolben-Brennkraftmaschine angeordnet und
zumindest mittelbar von der Kurbelwelle mit doppelter Kurbelwellendrehzahl
angetrieben sind. Diese dem Fachmann auch als Lancaster-Ausgleich
bekannte Anordnung dient zum Ausgleich der freien Massenkräfte zweiter
Ordnung bei einer Vierzylinder-Reihenmaschine,
die weltweit in erheblichen Stückzahlen
und unter beträchtlichem
Kostendruck produziert wird. Dabei trägt die erfindungsgemäße Gestaltung
der Ausgleichswelle aufgrund der zumindest aufwandsarmen Schmierölversorgung
der Wellenlagerung zu einer beträchtlichen
Reduzierung von deren Herstellkosten bei. Unter Berücksichtigung
von sich auch weltweit verschärfenden
Kraftstoffverbrauchsvorschriften für Hubkolben-Brennkraftmaschinen
kann gleichzeitig auf einen von der Schmierölpumpe der Brennkraftmaschine
zu fördernden
und deren Kraftstoffverbrauch erhöhenden Schmierölstrom zur
Wellenlagerung verzichtet werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
und aus den Zeichnungen, in denen eine erfindungsgemäße Welle
mit unterschiedlichen Ausgestaltungen der als Schaufeln ausgebildeten
Rippen sowie eine Ausgleichswelle einer Vorrichtung zum Massenausgleich einer
Hubkolben-Brennkraftmaschine als Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Welle
vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:
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1 einen
Abschnitt einer Welle mit drehrichtungsunabhängig orientierten Rippen;
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2 einen
Abschnitt einer Welle mit drehrichtungsabhängig orientierten Rippen;
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3 einen
Abschnitt einer Welle mit kombinierter, drehrichtungsunabhängiger Orientierung
der Rippen;
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4 eine
Vorrichtung zum Massenausgleich einer Hubkolben-Brennkraftmaschine in schematischer
Darstellung und
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5 eine
der Ausgleichswellen aus 4 in vereinfachter Längsdarstellung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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In
den 1 bis 3 ist jeweils ein für das Verständnis der
Erfindung wesentlicher Abschnitt erfindungsgemäßer Wellen 1a, 1b und 1c,
die jeweils an einem Lagerzapfen 2 mittels eines Wälzlagers 3 in einem
mit Schmierölnebel
beaufschlagten Gehäuse 4 drehbar
gelagert sind, veranschaulicht. Den Wellen 1a, 1b, 1c ist
gemeinsam, dass beidseitig an den Lagerzapfen 2 angrenzende
Wellenabschnitte 5a und 5b an ihrem gesamten Umfang
vom Lagerzapfen 2 radial überragt werden und dass zwischen
dem Lagerzapfen 2 und den angrenzen den Wellenabschnitten 5a und 5b mehrere,
gleichmäßig über deren
Umfang verteilte und sich radial auswärts erstreckende Rippen 6 verlaufen.
Eine weitere Gemeinsamkeit besteht in dem jeweils als Nadellager 7 ausgebildeten
Wälzlager 3,
das hier als radialen Bauraum sparende Nadelhülse, bestehend aus einem spanlos
hergestellten dünnwandigen
Außenring 8, einem
Käfig 9 und
darin geführten
Nadeln 10, zwischen dem Gehäuse 4 und dem Lagerzapfen 2 angeordnet
und lediglich mit dem im Gehäuse 4 anfallenden
Schmierölnebel
versorgt ist. Zu diesem Zweck haben die hier einstückig mit
den Wellen 1a, 1b, 1c ausgebildeten Rippen 6 nicht
nur versteifende Funktion, sondern dienen auch als Schaufeln zur
Erzeugung einer Strömung
oder Umlenkung des Schmierölnebels,
indem die Rippen 6 jeweils unter einem Anstellwinkel 11 bzw. 12 geneigt
zu den Drehachsen der Wellen 1a, 1b, 1c verlaufen
und in Abhängigkeit
der auf die Drehrichtung der Wellen 1a, 1b, 1c bezogenen
Orientierung der Anstellwinkel 11, 12 den Schmierölnebel in
das Nadellager 7 hineinfördern und/oder durch das Nadellager 7 hindurchsaugen.
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Bei
den in den 1 und 2 dargestellten Wellen 1a, 1b weisen
sowohl die Rippen 6, die zwischen dem Lagerzapfen 2 und
dem einen Wellenabschnitt 5a verlaufen, als auch die Rippen 6,
die zwischen dem Lagerzapfen 2 und dem anderen Wellenabschnitt 5b verlaufen,
in Umfangsrichtung der Wellen 1a, 1b bezüglich der
Förderrichtung
des Schmierölnebels
jeweils gleichwirkend orientierte Anstellwinkel 11 und 12 auf.
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Bei
der Welle 1a erfolgt die Schmierölversorgung des Nadellagers 7 drehrichtungsunabhängig. Bei
einer ersten Drehrichtung der Welle 1a gemäß dem in 1 nach
oben weisenden Pfeil auf dem Lagerzapfen erzeugen die auf dem einen
Wellenabschnitt 5a verlaufenden Rippen 6 eine
Saugströmung und
die auf dem anderen Wellenabschnitt 5b verlaufenden Rippen 6 eine
Druckströmung,
jeweils bezogen auf das Nadellager 7. Folglich wird der Schmierölnebel gemäß dem durch
die Pfeilschar symbolisierten Strömungsfeld von rechts nach links durch
das Nadellager 7 gefördert.
Umgekehrt wird bei der zweiten, entgegengesetzten Drehrichtung der Welle 1a gemäß dem nach
unten weisenden Pfeil auf dem Lagerzapfen von den auf dem einen
Wellenabschnitt 5a verlau fenden Rippen 6 eine
Druckströmung
und von den auf dem anderen Wellenabschnitt 5b verlaufenden
Rippen 6 eine Saugströmung
erzeugt. In diesem Fall wird der Schmierölnebel von links nach rechts
durch das Nadellager 7 gefördert.
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Die
in 2 dargestellte Welle 1b weist eine fest
vorgegebene Normaldrehrichtung auf, die dem auf dem Lagerzapfen
eingezeichneten Pfeil entspricht. Dabei sind die Anstellwinkel 11, 12 der
beidseitig des Lagerzapfens 2 verlaufenden Rippen 6 bezüglich der
Förderrichtung
des Schmierölnebels
so orientiert, dass der Schmierölnebel
sowohl aus Richtung des einen Wellenabschnitts 5a als auch
aus Richtung des anderen Wellenabschnitts 5b entweder unter
Ausbildung einer Druckströmung
oder durch Umlenkung zum Nadellager 7 hin gefördert wird.
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Die
in 3 dargestellte Welle 1c ist eine weitere
Variante mit drehrichtungsunabhängig
orientierten Anstellwinkeln 11 und 12 der Rippen 6.
In diesem Fall weisen die Rippen 6, die zwischen dem Lagerzapfen 2 und
den beiden angrenzenden Wellenabschnitten 5a, 5b verlaufen,
in Umfangsrichtung der Welle ungleichwirkend orientierte Anstellwinkel 11, 12 mit
jeweils zum Nadellager 7 hin und vom Nadellager 7 weg
alternierender Förderrichtung
des Schmierölnebels
auf. Zweckmäßigerweise
sind dabei das jeweilige Profil und der Verlauf der Anstellwinkel 11, 12 über der
axialen Erstreckung der vereinfacht dargestellten Rippen 6 so
anzupassen, dass unabhängig
von der Drehrichtung der Welle 1c entweder gemäß 1 eine
von beiden Wellenabschnitten 5a, 5b generierte
Druck-Saug-Förderung des
Schmierölnebels
durch das Nadellager 7 hindurch oder gemäß 2 eine
von beiden Wellenabschnitten 5a, 5b generierte
Druckförderung
oder Umlenkung des Schmierölnebels
in das Nadellager 7 hinein erzeugt wird.
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Ein
bevorzugter Anwendungsfall der Erfindung ist in den 4 und 5 offenbart.
Eine erfindungsgemäße Welle 1d ist
hier als Ausgleichswelle 13 einer Vorrichtung 14 zum
Ausgleich von Massenkräften
und/oder Massenmomenten einer Hubkolben-Brennkraftmaschine 15 ausgebildet.
Bei dieser handelt es sich im vorliegenden Fall um eine Vierzylinder-Reihenmaschine,
wobei die auch als Massenausgleichsgetriebe bezeichnete Vorrichtung 14 zum Ausgleich
von Massenkräften
zweiter Ordnung dient (Lancaster-Ausgleich). Die Vorrichtung 14 umfasst gemäß dem in 4 dargestellten
Getriebeschema zwei gegenläufig
rotierende und definierte Unwuchten 16 aufweisende Ausgleichswellen 13,
die parallel zur Längsachse
der Kurbelwelle 17 der Hubkolben-Brennkraftmaschine 15 angeordnet
und über
ein Zwischenrad 18 von der Kurbelwelle 17 mit
doppelter Kurbelwellendrehzahl angetrieben sind.
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Die
Lagerung einer dieser Ausgleichswellen 13 geht detaillierter
aus deren Längsdarstellung
gemäß 5 hervor.
Die hier an zwei Lagerzapfen 2 mittels Nadellagern 7 in
einem Gehäuse 4 der
Hubkolben-Brennkraftmaschine 15 gelagerte Ausgleichswelle 13 weist
einen in 5 unterhalb ihrer Mittellinie
befindlichen Massenschwerpunkt 19 zur Erzeugung der Unwucht 16 auf,
während
auf einem diametral gegenüberliegenden
Teilumfang 20 der Ausgleichswelle 13 beidseitig
jedes Lagerzapfens 2 eine oder mehrere der anhand der 1 bis 3 erläuterten
Rippen 6 verlaufen. Unter Berücksichtigung der fest vorgegebenen
Normaldrehrichtung der Ausgleichswelle 13 in der Vorrichtung 14 können die
Profile und die Anstellwinkel über
der axialen Erstreckung der hier ebenfalls vereinfacht dargestellten Rippen 6,
wie bereits erläutert,
so gewählt
werden, dass die Nadellager 7 optimal mit Schmierölnebel, das
während
des Betriebs der Hubkolben-Brennkraftmaschine 15 im Gehäuse 4 anfällt, versorgt
werden.
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- 1a-d
- Welle
- 2
- Lagerzapfen
- 3
- Wälzlager
- 4
- Gehäuse
- 5a,
b
- Wellenabschnitt
- 6
- Rippe
- 7
- Nadellager
- 8
- Außenring
- 9
- Käfig
- 10
- Nadel
- 11
- Anstellwinkel
- 12
- Anstellwinkel
- 13
- Ausgleichswelle
- 14
- Vorrichtung
zum Massenausgleich
- 15
- Hubkolben-Brennkraftmaschine
- 16
- Unwucht
- 17
- Kurbelwelle
- 18
- Zwischenrad
- 19
- Massenschwerpunkt
- 20
- Teilumfang