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Die
Erfindung betrifft einen Lagerbereich einer Unwuchtwelle, insbesondere
zum Ausgleich von freien Massenkräften und/oder Massenmomenten
einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, wobei der Lagerbereich zur Lagerung
in einem Lager, insbesondere Wälzlager, einen kreisförmigen
Querschnitt aufweist.
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Unwuchtwellen
der eingangs genannten Art sind bekannt, beispielsweise aus
DE 10 2004 014 014
A1 . Sie werden beispielsweise in Ausgleichswellen-Systemen,
insbesondere für Hubkolben-Brennkraftmaschinen, oder ähnlichen
Anwendungen eingesetzt, um freie Massenkräfte und/oder
Massenmomente zu reduzieren, insbesondere zu beseitigen. Die bekannte
Unwuchtwelle weist Unwuchten, insbesondere exzentrische Gewichte,
auf, was bedeutet, dass die Masse der Welle nicht rotationssymmetrisch verteilt
ist. Die bei einer Rotation der Welle durch die Unwuchten verursachten
Kräfte wirken idealerweise denen des Kurbeltriebs der Hubkolben-Brennkraftmaschine,
zu dem die Unwuchtwelle üblicherweise synchron angetrieben
wird, entgegen. Der entstehende Unwuchtkraftvektor, der der durch
die Unwuchten verursachten Zentripetalkraft entgegengerichtet ist,
führt zur Ausbildung einer Lastzone auf dem mindestens
einen, zur Lagerung der Welle notwendigen Lagerbereich. Folglich
ist die der Unwuchtrichtung abgewandte Seite des Lagerbereichs nahezu
lastfrei oder allenfalls gering belastet. Dies bedeutet, dass ein
herkömmlicher, massiv ausgeführter Lagerbereich
in dem beschriebenen lastarmen Bereich mechanisch überdimensioniert
ist, gleichwohl ist dieser Lagerbereich für eine Lagerung der
Unwuchtwelle notwendig. Diese Überdimensionierung ist gleichbedeutend
mit einigen Nachteilen. So wird zum einen die durch die Unwuchtwelle
darstellbare Unwucht verkleinert, zum anderen muss eine große
zusätzliche Masse mitgeführt werden. Diese wirkt
sich nachteilig auf das Gesamtgewicht des Fahrzeugs sowie die Trägheit
der Unwuchtwelle aus, was gleichbedeutend mit einem höheren
Verbrauch des der Hubkolben-Brennkraftmaschine ist. Des weiteren
entstehen höhere Kosten durch zusätzlich benötigtes
Material und dem erhöhten Konstruktionsaufwand, um dem
zusätzlichen Bauraum Rechnung zu tragen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lagerstelle einer Unwuchtwelle
bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik ein
verringertes Gewicht und einen geringeren Materialbedarf aufweist.
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Hierzu
wird eine Ausbildung des Lagerbereichs einer Unwuchtwelle vorgeschlagen,
bei der die Unwuchtwellewelle in ihrem Lagerbereich mindestens eine
Materialaussparung aufweist, die durch ein Fremdmaterialbauteil
mit anderem, insbesondere geringerem, spezifischen Gewicht zumindest
außenumfänglich ausgefüllt ist. Durch
die Materialaussparung wird das Gewicht der Unwuchtwelle, inbesondere
des Lagerbereichs, reduziert und die darstellbare Unwucht durch
eine Reduzierung des Unwuchtwellengewichts auf der dem Unwuchtkraftvektor
abgewandten Seite vergrößert. Das den Lagerbereich
außenumfänglich ausfüllende Fremdmaterialbauteil
fixiert die Position des Lagers in Bezug zu dem Lagerbereich in
allen Betriebszuständen der Hubkolben-Brennkraftmaschine,
insbesondere in radialer Richtung. Weist die Ausführung
des Fremdmaterialbauteils mindestens einen Radialvorsprung auf,
erfolgt eine Führung auch in axialer Richtung. Das Fremdmaterialbauteil
sorgt weiterhin für einen ruhigen Lauf der Lagerstelle
in einem Lager, insbesondere in einem Wälzlager, da hier
dem Fremdmaterialbauteil die Führung der Wälzkörper
obliegt. Demnach soll die Unwuchtwelle bei verbesserter Funktionalität,
insbesondere größerer darstellbarer Unwucht, eine
gegenüber anderen Ausführungsformen deutlich geringere
Masse aufweisen. Durch die verringerte Masse bei gleichzeitig größerer
darstellbarer Unwucht und geringerem benötigtem Bauraum,
wird ein besonders sparsamer Betrieb der der Unwuchtwelle zugeordneten
Hubkolben-Brennkraftmaschine ermöglicht.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Fremdmaterialbauteil
aus Kunststoff, insbesondere einem Kunststoff mit zugesetztem Füllmaterial
wie beispielsweise PA66-GF30 – einem mit einem Glasfaseranteil
von 30% versehenen Polyamid – oder PA46-GF30, oder Sintermetall besteht.
Beide Ausführungsformen versprechen eine deutliche Gewichtsreduzierung.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Befestigungsvorrichtung
zum Befestigen des Fremdmaterialbauteils an der Unwuchtwelle vorgesehen
ist. Dies bedeutet, dass das Fremdmaterialbauteil gegen Verlagerung
in Bezug auf die Unwuchtwelle, insbesondere radialer und axialer
Verlagerung, gesichert ist.
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Um
eine sichere Befestigung des Fremdmaterialbauteils an der Unwuchtwelle
zu gewährleisten, weist die Befestigungsvorrichtung nach
einer Weiterbildung der Erfindung mindestens eine in eine Gewindebohrung
der Unwuchtwelle eingeschraubte, eine Befestigungsbohrung des Fremdmaterialbauteils durchgreifende
Gewindeschraube auf. Die Befestigung mittels mindestens einer Gewindeschraube
gewährleistet eine sichere Verbindung des Fremdmaterialbauteils
zu der Unwuchtwelle in allen Betriebszuständen der Hubkolben-Brennkraftmaschine,
insbesondere bei Stillstand der Hubkolben-Brennkraftmaschine.
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Eine
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lagerbereichs
einer Unwuchtwelle sieht vor, dass das Fremdmaterialbauteil einstückig
ausgeführt ist. Die einstückige Ausführung
verringert den Herstellungs- und Montageaufwand.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung liegt die Materialaussparung
auf der Seite der Unwuchtwelle, die dem Unwuchtkraftvektor abgewandt ist.
Der Unwuchtkraftvektor bildet sich im Betrieb der Unwuchtwelle in
die entgegengesetzte Richtung der von den exzentrischen Gewichten
der Unwuchtwelle hervorgerufenen Zentripetalkraft aus. Diese hält
die exzentrischen Gewichte auf einer Kreisbahn um die Unwuchtwelle,
indem sie sie in Richtung Rotationsachse auszulenken versucht. Der
Unwuchtkraftvektor ist also ein senkrecht auf der Rotationsachse
der Unwuchtwelle stehender, nach außen gerichteter Vektor.
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Ferner
betrifft die Erfindung eine Unwuchtwelle mit mindestens einem Lagerbereich
gemäß den vorstehenden Ausführungen.
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Bevorzugt
ist dabei die Unwuchtwelle im Lagerbereich drehbar in einem Lager,
insbesondere Wälzlager, gelagert.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist als Wälzlager
ein Nadellager vorgesehen. Diese Ausführungsform hat Vorteile
hinsichtlich der geringen Einbauhöhe und der hohen Tragkraft,
die im Lagerbereich einer Unwuchtwelle, insbesondere in der Lastzone
des Lagerbereichs auftreten.
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Die
Zeichnung verdeutlicht die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel,
dabei zeigt:
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1 einen
Ausschnitt einer Unwuchtwelle in perspektivischer Ansicht, mit einem
Lagerbereich und einem Fremdmaterialbauteil sowie eine Lagerungsvorrichtung,
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2 das
Fremdmaterialbauteil in perspektivischer Ansicht und
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3 das
Fremdmaterialbauteil in Seitenansicht.
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1 zeigt
eine Unwuchtwelle 1, die vereinfachend nur ausschnittsweise
abgebildet ist, mit einer Lagerungsvorrichtung 2, hier
als Schnitt dargestellt.
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Die
Unwuchtwelle 1 weist eine Rotationsachse 3 sowie
mindestens eine Unwucht 4 auf, wobei die Unwucht 4 eine
exzentrische Massenverteilung in Bezug auf die Rotationsachse 3 darstellt.
Dabei ist die Unwuchtwelle 1 mit der mindestens einen Unwucht 4 einstückig
ausgeführt und wird beispielsweise durch einen Gussvorgang
oder in Integralfertigung hergestellt. Alternativ ist auch eine
mehrstückige Ausführung möglich, bei
der die Unwucht 4 nachträglich an der Unwuchtwelle 1 befestigt
wird. Im Bereich der Lagerungsvorrichtung 2 ist ein Wälzläger 5,
bestehend aus Wälzelementen 6, beispielsweise
Nadeln, und einem Lagerkäfig 7 in einem Lagerhalter 8 befestigt.
Die Wälzelemente 6 sitzen hierbei auf der Innenfläche 9 des
Lagerhalters 8 auf und werden von dem Lagerkäfig 7 auf
einem vorgegebenen umfänglichen Winkelabstand gehalten.
Alternativ kann auch ein Wälzlager mit einem nicht dargestellten,
integrierten Außenring vorgesehen werden, wobei die Wälzelemente
in diesem Fall in dem integrierten Außenring laufen, der
in dem Lagerhalter 8 befestigt ist.
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Die
Unwuchtwelle 1 besitzt im Bereich der Lagerungsvorrichtung 2 einen
Lagerbereich 10. Der Lagerbereich 10 hat einen
nicht kreisrunden Querschnitt und weist eine Materialaussparung 11 mit
einer Aussparungsoberfläche 12 auf. Die Materialaussparung 11 besitzt
mindestens einen Vorsprung 13 und ist mit einem Fremdmaterialbauteil 14,
das sich mit mindestens einer Auflagefläche 15 auf
dem Vorsprung 13 aufstützt und damit in radialer
Richtung eine definierte Position aufgeprägt bekommt, zumindest
außenumfänglich ausgefüllt. Die übrige
Innenfläche 16 des Fremdmaterialbauteils 14,
also die Innenfläche ohne die Auflagefläche 15,
steht nur teilweise mit der Aussparungsoberfläche 12 in
Kontakt. Alternativ ist auch ein vollflächige Auflage der
Innenfläche 16 auf die Aussparungsoberfläche
möglich, diese Ausführungsform wird jedoch aus
Gewichtsgründen üblicherweise nicht gewählt.
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Aus
einem damit ausgebildeten Außenumfang 17 des Fremdmaterialbauteils 14 setzt
sich, zusammen mit einem Außenumfang 18 des Lagerbereichs 10 im
Bereich der Lagerungsvorrichtung 2 der Unwuchtwelle 1,
ein innere Lauffläche 19 des Wälzlagers 5 zusammen,
auf dem die Wälzelemente 6 geführt werden.
Der Durchmesser des Außenumfangs 17 des Fremdmaterialbauteils 14 ist
gleich dem des Außenumfangs 18 des Lagerbereichs 10,
sodass eine stetige innere Lauffläche 19 vorliegt.
Der Durchmesser sowohl des Außenumfangs 17 des
Fremdmaterialbauteils 14 als auch des Außenumfangs 18 des
Lagerbereichs 10 sind in etwa gleich dem durch die Wälzelemente 6 definierten
Innendurchmesser des Wälzlagers 5. Alternativ
kann auch ein Wälzlager 5 mit einem nicht dargestellten,
integrierten Innenring vorgesehen werden. Dann sitzt der Innenring
des Wälzlagers 5 auf den Außenumfängen 17 und 18 des Fremdmaterialbauteils 14 beziehungsweise
des Lagerbereichs 10. Ist ein solcher, nicht dargestellter,
Innenring vorgesehen, sind die Durchmesser der Außenumfänge 17 und 18 des
Fremdmaterialbauteils 14 beziehungsweise des Lagerbereichs 10 in
etwa gleich dem Innendurchmesser dieses Innenrings.
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Zur
Befestigung des Fremdmaterialbauteils 14 an dem Lagerbereich 10 der
Unwuchtwelle 1 ist eine Bohrung 20 mit einem Gewindeschnitt 21 im
Lagerbereich 10 der Unwuchtwelle 1 vorgesehen.
Eine Gewindeschraube 22 durchgreift das Fremdmaterialbauteil 14 durch
eine dazu vorgesehene Befestigungsbohrung 23, die in einer
Senkung 24 mit größerem Durchmesser positioniert
ist und somit einen Vorsprung 25 aufweist, auf dem ein
Schraubenkopf 26 der Gewindeschraube 22 aufsitzt
und in den Gewindeschnitt 21 des Lagerbereichs 10 eingreift.
Der Schraubenkopf 26 der Gewindeschraube 22 ist
dabei vollständig in der Senkung 24 versenkt,
ragt also nicht über den Außenumfang 17 des
Fremdmaterialbauteils 14 hinaus. Zur radialen und/oder
axialen Fixierung ist weiterhin in der dargestellten Ausführung eine
Materialaussparung 27 in dem Lagerbereich 10 der
Unwuchtwelle 1 sowie ein in diese Materialaussparung 27 eingreifendes
Gegenstück 28 im Fremdmaterialbauteil vorgesehen.
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Bei
Rotation der Unwuchtwelle 1 um ihre Rotationsachse 3 bildet
sich aufgrund der Unwucht 4 ein Unwuchtkraftvektor 29 aus,
der senkrecht auf der Rotationsachse 3 steht und radial
nach außen zeigt. Der Unwuchtkraftvektor 29 wirkt
einem nicht dargestellten Kraftvektor entgegen, der durch den Kurbeltrieb einer
nicht dargestellten Hubkolben-Brennkraftmaschine verursacht wird,
und hebt ihn idealerweise vollständig auf. Durch den ausgebildeten
Unwuchtkraftvektor 29 wird der Außenumfang 18 des
Lagerbereichs 10, der auf der Seite vorgesehen wird, in
die der Unwuchtkraftvektor 29 zeigt, belastet. Der auf
der dem Unwuchtkraftvektor 29 abgewandten Seite vorgesehene
Außenumfang 17 des Fremdmaterialbauteils 14 wird
dagegen nur mit einer geringen Kraft beaufschlagt. Es ist daher
zweckmäßig, das Fremdmaterialbauteil 14 so
anzuordnen, dass es dem Unwuchtkraftvektor 29 gegenüber
liegt, daraus folgt, dass Vorsprung 13 und Vorsprung 25 Idealerweise senkrecht
und die Gewindeschraube 22 gegenüberliegend zu
dem Unwuchtkraftvektor 29 vorgesehen ist.
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2 zeigt
das Fremdmaterialbauteil 14, das von Seitenflächen 30,
die in der abgebildeten Ausführungsform parallel zueinander
sind, in axialer Richtung begrenzt wird. Weiterhin kann das Fremdmaterialbauteil 14 einen
oder mehrere Radialvorsprünge 31 aufweisen, die
in der vorgestellten Ausführungsform sowohl zueinander
als auch zu den Seitenflächen 30 parallel sind.
Der Radialvorsprung 31 bildet eine innere Seitenfläche 32 aus.
Diese innere Seitenfläche 32 kann zur axialen
Positionssicherung der Wälzelemente 6 verwendet
und damit der axialen Fixierung der Unwuchtwelle 1 im Verhältnis zu
der Lagerungsvorrichtung 2 dienen. Sowohl die Senkung 24 als
auch der Radialvorsprung 31 können aus fertigungs-,
oder montagetechnischen oder sonstigen Überlegungen heraus
Abschrägungen aufweisen oder alternativ abgerundete Kanten
besitzen.
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3 zeigt
das Fremdmaterialbauteil 14 mit dem Gegenstück 28 zu
der Materialaussparung 27 im Lagerbereich 10 der
Unwuchtwelle 1. Das Gegenstück 28 ist
hier mit einem runden Querschnitt ausgearbeitet, sodass eine Fixierung
des Fremdmaterialbauteils 14 sowohl in axialer als auch
radialer Richtung erfolgt. Wird vorteilhafterweise ein solcher Aufbau
verwendet, kann die Gewindeschraube 22 entsprechend kleiner
dimensioniert werden.
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- 1
- Unwuchtwelle
- 2
- Lagerungsvorrichtung
- 3
- Rotationsachse
- 4
- Unwucht
- 5
- Wälzlager
- 6
- Wälzelemente
- 7
- Lagerkäfig
- 8
- Lagerhalter
bzw. Außenring
- 9
- Innenfläche
bzw. Außenring
- 10
- Lagerbereich
bzw. Lagerzapfen
- 11
- Materialaussparung
- 12
- Aussparungsoberfläche
- 13
- Vorsprung
- 14
- Fremdmaterialbauteil
- 15
- Auflagefläche
- 16
- Innenfläche
- 17
- Außenumfang
- 18
- Außenumfang
- 19
- Innere
Lauffläche
- 20
- Bohrung
- 21
- Gewindeschnitt
- 22
- Gewindeschraube
- 23
- Befestigungsbohrung
- 24
- Senkung
- 25
- Vorsprung
- 26
- Schraubenkopf
- 27
- Materialaussparung
- 28
- Gegenstück
- 29
- Unwuchtkraftvektor
- 30
- Seitenfläche
- 31
- Radialvorsprung
- 32
- Innere
Seitenfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004014014
A1 [0002]