DE102009020134A1

DE102009020134A1 - Massenausgleichsgetriebe einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009020134A1
Application number: DE102009020134A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Solfrank
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-05-06
Filing date: 2009-05-06
Publication date: 2010-11-11
Also published as: CN102414475A; JP2012526248A; KR20120014138A; US8695555B2; EP2427672A1; US20120037109A1; JP5474179B2; CN102414475B; WO2010127959A1

Abstract

Vorgeschlagen ist ein Masseausgleichsgetriebe zum Ausgleich von Massekräfte und/oder Massemomenten einer Brennkraftmaschine. Das Masseausgleichsgetriebe umfasst eine Umwuchtwelle (4) mit Wellenabschnitten (6, 7) zur Erzeugung der Unwucht, zwei äußeren Lagerzapfen (9, 10) und zumindest einen zwei der Wellenabschnitte verbindenden inneren Lagerzapfen (5), an welchen Lagerzapfen die Unwuchtwelle in zugehörigen Lagerstellen (2, 1, 3) der Brennkraftmaschine drehbar gelagert ist. Dabei springt der innere Lagerzapfen gegenüber den beiden daran angrenzenden Wellenabschnitten radial zurück und bildet mit der inneren Lagerstelle (2) eine Radialgleitlagerung. Erfindungsgemäß sollen die äußeren Lagerzapfen mit den äußeren Lagerstellen (1, 3,) jeweils eine Radialwälzlagerung bilden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Massenausgleichsgetriebe zum Ausgleich von Massenkräften und/oder Massenmomenten einer Brennkraftmaschine. Das Massenausgleichsgetriebe umfasst eine Unwuchtwelle mit Wellenabschnitten zur Erzeugung der Unwucht, zwei äußeren Lagerzapfen und zumindest einem zwei der Wellenabschnitte verbindenden inneren Lagerzapfen, an welchen Lagerzapfen die Unwuchtwelle in zugehörigen Lagerstellen der Brennkraftmaschine drehbar gelagert ist. Dabei springt der innere Lagerzapfen gegenüber den beiden daran angrenzenden Wellenabschnitten radial zurück und bildet mit der inneren Lagerstelle eine Radialgleitlagerung.
Hintergrund der Erfindung
Ein derartiges Massenausgleichsgetriebe geht aus der als gattungsbildend betrachteten EP 1 304 450 A2 hervor. Das dort vorgeschlagene Massenausgleichsgetriebe dient zum Ausgleich der freien Massenkräfte zweiter Ordnung einer Vierzylinder-Reihenmaschine und umfasst zwei mit doppelter Kurbelwel lendrehzahl gegensinnig rotierende Unwuchtwellen. Diese sind vierfach gelagert und weisen jeweils zwei aufeinanderfolgende Wellenabschnitte mit exzentrischem Massenschwerpunkt zur Erzeugung der Unwucht auf. Der Durchmesser des die Wellenabschnitte verbindenden inneren Lagerzapfens ist deutlich kleiner als der Hüllkreis der Wellenabschnitte, so dass die Substitution der an dieser Lagerstelle vorgesehenen Radialgleitlagerung durch eine bezüglich Reibungsverlusten günstigere Radialwälzlagerung mit ungeteiltem Lagerring aus Montagegründen nicht möglich ist – allenfalls ist hier ein Wälzlager mit geteiltem Außenring einsetzbar, bei dem jedoch aufgrund der dann unvermeidbaren Stufenbildung an der Außenlaufbahn Funktions- und Lebensdauereinschränkungen zu befürchten sind. Auch die anderen drei Lagerzapfen jeder Unwuchtwelle sind in den zugehörigen Lagerstellen radial gleitgelagert.
Aus der EP 0 243 683 A1 geht ein Massenausgleichsgetriebe mit dreifach und in diesem Fall vollständig wälzgelagerten Unwuchtwellen hervor. Deren Geometrie mit lediglich einem die Unwucht erzeugenden Wellenabschnitt lässt jedoch die Montage ungeteilter Wälzlager problemlos zu. Dies gilt in gleicher Weise für die in der FR 2 619 881 A1 offenbarte Unwuchtwelle, die am antriebsseitigen Endabschnitt hingegen gleit- statt wälzgelagert ist.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Massenausgleichsgetriebe der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass bei unverändert problemloser Montierbarkeit der Unwuchtwelle die betrieblichen Reibungsverluste des Massenausgleichsgetriebes möglichst weitgehend reduziert sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die äußeren Lagerzapfen mit den äußeren Lagerstellen jeweils eine Radialwälzlagerung bilden. Es handelt sich mit anderen Worten um ein Massenausgleichsgetriebe mit einer Hybridlagerung der Unwuchtwelle, wobei der zurückspringende innere Lager zapfen nach wie vor radial gleitgelagert ist, während zwischen den äußeren Lagerzapfen und den zugehörigen Lagerstellen reibungsgünstigere Wälzlager vorgesehen sind.
In Weiterbildung der Erfindung soll die Radialgleitlagerung mit einer Axialgleitlagerung der Unwuchtwelle kombiniert sein, wobei die beiden Wellenabschnitte mit Axialanlaufflächen für Axialstirnflächen der inneren Lagerstelle versehen sind. Während diese fertigungstechnisch einfache Ausgestaltung eine Axiallagerung der Unwuchtwelle an anderer Stelle überflüssig macht, kann zudem das Axialspiel der Axialgleitlagerung so klein bemessen werden, dass die Axialanlaufflächen und die jeweils zugehörigen Axialstirnflächen als Drossel für aus der Radialgleitlagerung austretendes Hydraulikmittel wirken. Anders gesagt, erzeugen die aufeinander gleitenden bzw. eng voneinander beabstandeten Axialflächen von Lagerstelle und Wellenabschnitten einen Durchflusswiderstand, der mit einem entsprechend begrenzten Hydraulikmittelabfluss aus der Radialgleitlagerung einhergeht.
Die erhöhte Dichtwirkung der so gestalteten Axialgleitlagerung eröffnet insbesondere die Möglichkeit, das Radiallagerspiel der Radialgleitlagerung so groß zu bemessen, dass der innere Lagerzapfen erst ab einer vorbestimmten Durchbiegung der Unwuchtwelle an deren Radiallagerung teilnimmt. Im niedrigen Drehzahlbereich der Unwuchtwelle fällt die Lagerbelastung niedrig aus, so dass dort der innere Lagerzapfen für eine stabile Lagerung der Unwuchtwelle entbehrlich ist. Aufgrund der exzentrischen Massenverteilung nimmt die in Unwuchtrichtung weisende Durchbiegung der Unwuchtwelle mit deren Drehzahl zu, so dass dann auch der innere Lagerzapfen signifikant für die stabile Lagerung der Unwuchtwelle verantwortlich ist. Diese die Drehzahl der Unwuchtwelle berücksichtigende Ausgestaltung bewirkt vor allem, dass die vergleichweise hohen Reibungsverluste der Radialgleitlagerung bei niedrigen Drehzahlen der Unwuchtwelle vernachlässigbar klein gehalten werden können.
Im Hinblick auf einen an die drehzahlabhängige Durchbiegung der Unwuchtwelle angepassten, kontinuierlichen Kontaktkraftaufbau in einer solchen Radial gleitlagerung soll der innere Lagerzapfen eine zur Rotationsachse der Unwuchtwelle parallel und in Richtung der Unwucht versetzt verlaufende Mittelachse aufweisen.
In konstruktiv bevorzugter Ausgestaltung sollen die Unwuchtwelle als Schmiedeteil hergestellt sein und die Radialwälzlagerungen jeweils ein innenringfreies Nadellager umfassen, wobei die äußeren Lagerzapfen der Unwuchtwelle jeweils als Innenlaufbahn für die Nadeln dienen. Der radiale Bauraummehrbedarf eines Wälzlagers gegenüber einem Gleitlager kann durch den Verzicht auf einen Innenring einerseits und durch die Verwendung von Nadeln mit kleinem Durchmesser andererseits auf ein Minimum reduziert werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Nadellager zudem kostengünstig als Nadelhülse mit einem spanlos hergestellten, dünnwandigen Außenring, einem Käfig und den darin geführten Nadeln ausgebildet ist.
Als Alternative zu den innenringfreien Nadellagern können dennoch die Radialwälzlagerungen jeweils als Nadellager mit Innenring ausgebildet sein. Diese konstruktive Ausgestaltung kann erforderlich sein, wenn die Unwuchtwelle nicht als Schmiedeteil, sondern als einfacher zu bearbeitendes und kostengünstiges Gussteil hergestellt ist und die Lagerzapfen nicht die Werkstoffeigenschaften aufweisen, die für eine Wälzlagerlaufbahn erforderlich sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt ist. Die einzige Figur zeigt die Lageranordnung einer Unwuchtwelle im perspektivischen Längsschnitt.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Die Figur zeigt einen für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Ausschnitt eines Massenausgleichsgetriebes, das zum Ausgleich der freien Massenkräfte zweiter Ordnung einer Vierzylinder-Reihenmaschine dient. Dargestellt ist eine der beiden mit doppelter Kurbelwellendrehzahl gegensinnig rotierenden Unwuchtwellen und deren Lagerung in der Brennkraftmaschine, wobei die zum Antrieb der Unwuchtwellen erforderlichen Anbauteile wie beispielsweise Ketten- und Zahnräder zwecks vereinfachter Darstellung fehlen.
Die in Lagerstellen 1, 2 und 3 der Brennkraftmaschine dreifach gelagerte Unwuchtwelle 4 weist zwei durch einen inneren Lagerzapfen 5 verbundene Wellenabschnitte 6 und 7 auf, die mit jeweils exzentrisch zur Rotationsachse 8 der Unwuchtwelle 4 verlaufenden und radial identisch ausgerichteten Massenschwerpunkten die Unwucht erzeugen. Der Durchmesser des inneren Lagerzapfens 5 ist wesentlich kleiner als der Hüllkreis der beiden daran angrenzenden Wellenabschnitte 6, 7 und springt folglich gegenüber diesen radial deutlich zurück. Eine Montage eines Wälzlagers mit ungeteiltem Lagerring ist an dieser Stelle offensichtlich nicht möglich, so dass der innere Lagerzapfen 5 mit der inneren Lagerstelle 2 eine hydrodynamische Radialgleitlagerung bildet.
Hingegen bilden die beiden äußeren Lagerstellen 1, 3 mit den zugehörigen äußeren Lagerzapfen 9, 10 der geschmiedeten Unwuchtwelle 4 reibungsgünstige Radialwälzlagerungen. Diese umfassen innenringfreie Nadellager 11, die problemlos auf die Unwuchtwelle 4 montierbar sind und deren Nadeln 12 unmittelbar auf den als Innenlaufbahn ausgebildeten äußeren Lagerzapfen 9, 10 abwälzen. Jedes der Nadellager 11 ist als sogenannte Nadelhülse mit einem spanlos hergestellten, dünnwandigen Außenring 13, einem Käfig 14 und den darin geführten Nadeln 12 ausgebildet.
Die Radialgleitlagerung am inneren Lagerzapfen 5 weist ein gegenüber üblichen Ausführungen deutlich größeres Radiallagerspiel auf. Dieses ist so groß bemessen, dass der innere Lagerzapfen 5 erst ab einer vorbestimmten Durchbiegung der Unwuchtwelle 4 an deren Radiallagerung teilnimmt. Wie eingangs erläutert, nimmt die Durchbiegung der Unwuchtwelle 4 unwuchtbedingt mit deren Drehzahl zu, so dass unterhalb einer vorbestimmten Grenzdrehzahl nur die beiden Radialwälzlagerungen an den äußeren Lagerzapfen 9, 10 maßgeblich zur Radiallagerung der Unwuchtwelle 4 beitragen. Wie es stark übertrieben dargestellt ist, verläuft die Mittelachse 15 des inneren Lagerzapfens 5 parallel zur Rotationsachse 8 und in Richtung der Unwucht versetzt, um einen kontinuierlichen Kontaktkraftaufbau im Radialgleitlager zu erzeugen.
Zur Begrenzung des aus der stark spielbehafteten Radialgleitlagerung austretenden Hydraulikmittelvolumenstroms dient eine bezüglich der Axialspieldimensionierung angepasste Axialgleitlagerung, die mit der Radialgleitlagerung kombiniert ist. Die Axialgleitlagerung ist durch die Axialstirnflächen 16, 17 der inneren Lagerstelle 2 und Axialanlaufflächen 18, 19 auf den beiden Wellenabschnitten 6, 7 gebildet, wobei die Axialanlaufflächen 18, 19 die Axialstirnflächen 16, 17 mit einem gegenüber üblichen Ausführungen deutlich kleineren Axialspiel umgreifen. Je nach axialer Relativstellung der Unwuchtwelle 4, die diese im Betrieb des Massenausgleichsgetriebes gegenüber der inneren Lagerstelle 2 einnimmt, bewirken der oder die entsprechend schmalen Axialspalte, dass das Axialgleitlager einen Drosselwiderstand für aus der Radialgleitlagerung austretendes Hydraulikmittel darstellt.

1: äußere Lagerstelle
2: innere Lagerstelle
3: äußere Lagerstelle
4: Unwuchtwelle
5: innerer Lagerzapfen
6: Wellenabschnitt
7: Wellenabschnitt
8: Rotationsachse der Unwuchtwelle
9: äußerer Lagerzapfen
10: äußerer Lagerzapfen
11: Nadellager
12: Nadel
13: Außenring
14: Käfig
15: Mittelachse des inneren Lagerzapfens
16: Axialstirnfläche der inneren Lagerstelle
17: Axialstirnfläche der inneren Lagerstelle
18: Axialanlauffläche
19: Axialanlauffläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1304450 A2 [0002]
- EP 0243683 A1 [0003]
- FR 2619881 A1 [0003]

Claims

Massenausgleichsgetriebe zum Ausgleich von Massenkräften und/oder Massenmomenten einer Brennkraftmaschine, umfassend eine Unwuchtwelle (4) mit Wellenabschnitten (6, 7) zur Erzeugung der Unwucht, zwei äußeren Lagerzapfen (9, 10) und zumindest einem zwei der Wellenabschnitte (6, 7) verbindenden inneren Lagerzapfen (5), an welchen Lagerzapfen (5, 9, 10) die Unwuchtwelle (4) in zugehörigen Lagerstellen (2, 1, 3) der Brennkraftmaschine drehbar gelagert ist, wobei der innere Lagerzapfen (5) gegenüber den beiden daran angrenzenden Wellenabschnitten (6, 7) radial zurückspringt und mit der inneren Lagerstelle (2) eine Radialgleitlagerung bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Lagerzapfen (9, 10) mit den äußeren Lagerstellen (1, 3) jeweils eine Radialwälzlagerung bilden.
Massenausgleichsgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialgleitlagerung mit einer Axialgleitlagerung der Unwuchtwelle (4) kombiniert ist, wobei die beiden Wellenabschnitte (6, 7) mit Axialanlaufflächen (18, 19) für Axialstirnflächen (16, 17) der inneren Lagerstelle (2) versehen sind.
Massenausgleichsgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Axialspiel der Axialgleitlagerung so klein bemessen ist, dass die Axialanlaufflächen (18, 19) und die jeweils zugehörigen Axialstirnflächen (16, 17) als Drossel für aus der Radialgleitlagerung austretendes Hydrau likmittel wirken.
Massenausgleichsgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Radiallagerspiel der Radialgleitlagerung so groß bemessen ist, dass der innere Lagerzapfen (5) erst ab einer vorbestimmten Durchbiegung der Unwuchtwelle (4) an deren Radiallagerung teilnimmt.
Massenausgleichsgetriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Lagerzapfen (5) eine zur Rotationsachse (8) der Unwuchtwelle (4) parallel und in Richtung der Unwucht versetzt verlaufende Mittelachse (15) aufweist.
Massenausgleichsgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialwälzlagerungen jeweils ein innenringfreies Nadellager (11) umfassen, wobei die äußeren Lagerzapfen (9, 10) der als Schmiedeteil hergestellten Unwuchtwelle (4) jeweils als Innenlaufbahn für die Nadeln (12) dienen.
Massenausgleichsgetriebe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nadellager (11) als Nadelhülse mit einem spanlos hergestellten, dünnwandigen Außenring (13), einem Käfig (14) und den darin geführten Nadeln (12) ausgebildet sind.
Massenausgleichsgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialwälzlagerungen jeweils ein Nadellager (11) umfassen, wobei die äußeren Lagerzapfen (9, 10) der als Gussteil hergestellten Unwuchtwelle (4) jeweils mit einem als Innenlaufbahn für die Nadeln (12) dienenden Innenring versehen sind.