DE102012006466B4

DE102012006466B4 - Welle zur Übertragung eines Drehmoments

Info

Publication number: DE102012006466B4
Application number: DE102012006466.7A
Authority: DE
Inventors: Stephan Neuendorf; Reinhold Pupkes; Ekkehard Pott; Dirk Warnecke
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2020-07-02
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: DE102012006466A1; WO2013143884A1; IN2014MN02085A; CN104204428B; CN104204428A

Abstract

Welle (10) zur Übertragung eines Drehmoments, welche wenigstens einen ersten axialen Abschnitt (14) in einem inneren Raumbereich (16) und einen zweiten axialen Abschnitt (18) in einem äußeren Raumbereich (20) aufweist, wobei die zwei Raumbereiche (16,20) durch eine Wand (22) mit wenigstens einer Öffnung (24) getrennt sind und die Welle (10) durch die Öffnung (24) der Wand (22) hindurch verläuft, wobei auf der Welle (10) ein nicht die Welle (10) abstützendes Wälzlager (26) derart aufgenommen ist, dass die Öffnung (24) der Wand (22) mittels des Wälzlagers (26) geschützt gegen feste Fremdkörper aus dem äußeren Raumbereich (20) verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (10) eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine (12) ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Welle zur Übertragung eines Drehmoments, welche wenigstens einen ersten axialen Abschnitt in einem inneren Raumbereich und einen zweiten axialen Abschnitt in einem äußeren Raumbereich aufweist, wobei die zwei Raumbereiche durch eine Wand mit wenigstens einer Öffnung getrennt sind und die Welle durch die Öffnung der Wand hindurchverläuft und eine Brennkraftmaschine mit einer derartigen Welle.
Bei Brennkraftmaschinen erstrecken sich häufig Wellen, insbesondere Kurbelwellen, durch mehrere Raumbereiche, die durch eine Wand voneinander getrennt sind. Dabei dient die Wand häufig unter anderem dazu, einen inneren Raumbereich von einem äußeren Raumbereich abzutrennen, um in diesem bestimmte Komponenten, zum Beispiel einen Steuertrieb, insbesondere mit einem Zahnriemen zur Kraftübertragung, geschützt gegen Einflüsse aus dem äußeren Raumbereich anzuordnen. Typischerweise wird der Wellendurchtritt zur Reibungsminimierung berührungslos, zum Beispiel mittels einer Labyrinthdichtung, oder mittel trocken laufender Dichtringe gegen Fremdkörper, insbesondere Staub, abgedichtet. In der Praxis in besonders mit Staub belasteten Gebieten hat sich aber herausgestellt, dass diese Maßnahmen nicht immer ausreichend sind und dennoch eine inakzeptable Menge an Fremdkörpern, vor allem an der Durchführung der Welle, eindringen können.
Aus dem Dokument DE 40 04 767 A1 ist eine separate Lagerhülse für eine Kurbelwelle, insbesondere für Verbrennungsmotoren von Kettensägen, bekannt, Die Lagerhülse besteht aus einem ringförmigen Teil und einem scheibenförmigen Teil, wobei der ringförmige Teil das Rollenlager in der Lageraufnahme der Stirnwand des Kurbelgehäuses umschließt, während der scheibenförmige Teil einen Dichtungsring mit Lippen zur dichten Umschließung der Kurbelwelle umfasst. In dieser Anordnung hat der Dichtungsring mit Lippen, nicht bereits das Rollenlager alleine eine dichtende Wirkung.
Die Offenlegungsschriften DE 101 61 491 A1 und DE 10 2005 006 445 A1 offenbaren jeweils eine Faltenbalganordnung zum Abdichten einer mit einem Gleichlaufgelenk verbundenen Seitenwelle am Achsgetriebe eines Kraftfahrzeuges gegenüber dem Gehäuse des Achsgetriebes. Diese Anordnungen umfassen jeweils einen Faltenbalg, welcher mit einem kleineren Bund auf einem Faltenbalgsitz einer Wälzlageranordnung aufgezogen wird. Die Wälzlageranordnung dient dabei jeweils zur drehbaren Lagerung lediglich des Faltenbalgs auf der Welle und dient nicht zur abstützenden Lagerung der Welle selbst.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine durch eine Öffnung in einer Wand hindurch verlaufende Welle bereitzustellen, deren Durchführung für einen Einsatz in einem mit Fremdkörpern, insbesondere Staub in der Umgebungsluft belasteten Gebiet ausreichend gut abgedichtet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Welle zur Übertragung eines Drehmoments mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert.
Eine erfindungsgemäße Welle zur Übertragung eines Drehmoments weist wenigstens einen ersten axialen Abschnitt in einem inneren Raumbereich und einen zweiten axialen Abschnitt in einem äußeren Raumbereich auf. Die zwei Raumbereiche sind durch eine Wand mit wenigstens einer Öffnung getrennt, und die Welle verläuft durch die Öffnung der Wand hindurch. Auf der Welle ist ein nicht die Welle abstützendes Wälzlager derart aufgenommen, dass die Öffnung der Wand mittels des Wälzlagers geschützt gegen feste Fremdkörper aus dem zweiten äußeren Raumbereich verschlossen ist.
Besonders bedeutsam ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise für Kurbelwellen. Anders gesagt, die erfindungsgemäße Welle ist eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine.
Insbesondere kann die Öffnung der Wand mittels des Wälzlagers geschützt gegen feste Fremdkörper kleiner 12,5 mm, bevorzugt kleiner 2,5 mm oder sogar kleiner 1,0 mm, besonders bevorzugt gegen Staub oder staubdicht verschlossen sein. Darüber hinaus kann die Öffnung der Wand, insbesondere im Hinblick auf automotive Anwendungen, auch geschützt gegen Spritzwasser, bevorzugt Strahlwasser, insbesondere starkem und unter erhöhtem Druck stehenden Strahlwasser, gegen Untertauchen, besonders bevorzugt sogar geschützt gegen Wasser bei Hochdruck- und/oder Dampfstrahlreinigung sein.
Mit anderen Worten: Erfindungsgemäß gelangt ein Wälzlager als Wellendichtung zum Einsatz, ohne dass das dichtende Wälzlager zum Lagern oder Abstützen der Welle verwendet wird. Da im Wesentlichen, bevorzugt gar keine Kräfte übertragen werden, kann vorteilhaft ein Wälzlager mit einer niedrigen Tragzahl eingesetzt werden. Auf diese Weise kann eine kostengünstige Lösung realisiert werden.
Dass das Wälzlager die Welle nicht abstützt oder lagert, bedeutet insbesondere, dass das Wälzlager zumindest bis auf einen vernachlässigbar geringen Teil, bevorzugt gar keine Kraft und/oder kein Drehmoment der Welle abstützt oder lagert. Anders ausgedrückt: Die von der Welle ausgehenden Kräfte und/oder Drehmomente, insbesondere deren Gewichtskraft, werden zumindest bis auf einen vernachlässigbar kleinen Teil nicht vom erfindungsgemäß eingesetzten, die Öffnung dichtend verschließenden Wälzlager aufgenommen.
Die Welle kann insbesondere durch ein oder mehrere Lager, insbesondere in einer Brennkraftmaschine, abgestützt oder aufgenommen sein, wobei die Lager insbesondere die Gewichtskraft der Welle aufnehmen können. Der zweite axiale Abschnitt kann insbesondere ein Wellenstumpf oder ein Wellenende sein. Das Wälzlager kann fettgefüllt sein.
In einer praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Welle zur Übertragung eines Drehmoments ist auf dem ersten axialen Abschnitt im inneren Raumbereich ein Zahnriemenrad aufgenommen. Das Zahnriemenrad kann insbesondere geeignet für oder Teil eines Steuertriebs einer Brennkraftmaschine, zum Beispiel für deren variablen Ventiltrieb, sein. In dieser Ausführungsform bildet die Wand einen Teil eines Zahnriemengehäuses, das typischerweise in Kunststoff ausgeführt ist.
Erfindungsgemäß ist es möglich, dass die Welle hülsenlos und/oder dichtungslos durch die Wand hindurch verläuft. Eine konkrete Konstruktion kann auf dieser Basis besonders einfach ausgeführt werden. In vorteilhafter Konsequenz wird Verschleiß an einer Hülse und/oder einer Dichtung vermieden. Es ist besonders vorteilhaft zur Vermeidung des Eindringens von Festkörpern und insbesondere Staub, wenn das Wälzlager gekapselt ausgeführt ist. In vorteilhafter Weise kann ein leicht verfügbares, insbesondere kostengünstiges Normteil genutzt werden.
Bevorzugte Ausführungsformen des Wälzlagers der erfindungsgemäßen Welle sind Rillenkugellager, (bevorzugt) Pendellager oder Nadellager. Insbesondere Pendelkugellager können vorteilhaft ein leichtes Taumeln der Welle, insbesondere des Wellenstumpfes, ausgleichen. Das Rillenkugellager und/oder das Pendellager kann einreihig sein.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Welle umfasst zusätzlich ein Toleranzausgleichselement: Das Wälzlager ist in derartigen Weiterbildungen mittelbar über ein Toleranzausgleichselement in der Wand aufgenommen. Konkret kann das Toleranzausgleichselement der erfindungsgemäßen Welle wenigstens eine drehmomentsteife Elastomerkontur aufweisen. Insbesondere kann die (bevorzugt spaltfreie und/oder saumlose) Elastomerkontur das Wälzlager vollständig entlang seines radialen Umfangs umgeben.
Das Toleranzelement ermöglicht einen Toleranzausgleich der Welle gegenüber der Wand, beispielsweise eines Zahnriemengehäuses, da zum einen die relative Lage der Wand zur Welle Abweichungen von einer Solllage innerhalb eines Toleranzintervalls aufweisen kann und/oder zum anderen ein Wellenaxialspiel vorhanden sein kann.
In einer Vielzahl von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Welle zur Übertragung eines Drehmoments kann auf dem zweiten Abschnitt im zweiten Raumbereich ein Schwingungstilger aufgenommen sein. Der Schwingungstilger kann insbesondere zur Kompensation und/oder Dissipation von unerwünschten Schwingungen der Welle ausgeführt sein.
Im Zusammenhang des erfinderischen Gedankens steht auch eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine fremdgezündete oder (bevorzugt) eine selbstzündende Brennkraftmaschine. Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst wenigstens eine Welle zur Übertragung eines Drehmoments mit einzelnen Merkmalen oder Merkmalskombinationen gemäß dieser Darstellung. Eine große Gruppe von erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinen besteht aus Brennkraftmaschinen, die einen Steuertrieb mit einem Zahnriemenantrieb aufweisen, wobei der Zahnriemen in einem Gehäuse gekapselt ist und die Welle umschlingt. Wenn die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ein Toleranzausgleichselement umfasst, ist dieses bevorzugt derart ausgeführt, dass ein Toleranzausgleich sowohl in Richtung der Hochachse als auch in Richtung der Querachse der Brennkraftmaschine erfolgen kann.
Konkrete Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine können in Fahrzeugen, bevorzugt gleislosen Landfahrzeugen, eingesetzt werden. Insbesondere können die Landfahrzeuge Personenfahrzeuge, Nutzfahrzeuge, zum Beispiel Baumaschinen oder Sonderfahrzeuge, sein.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Es zeigt im Einzelnen:

1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Welle, hier einer Kurbelwelle, und
2 eine Ansicht einer Ausführungsform eines Toleranzausgleichselements für die in der 1 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Welle.

Die 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Welle. Diese Welle 10 ist eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine 12. Die Brennkraftmaschine 12 weist einen Steuertrieb für einen variablen Ventiltrieb auf. Dieser Steuertrieb umfasst einen Zahnriemenantrieb, der ein Drehmoment von der Welle 10 abgreift: Auf der Welle 10 ist in einem ersten axialen Abschnitt 14 in einem inneren Raumbereich 16 ein Zahnriemenrad 28 aufgenommen. Dieses steht mit einem hier in der 1 nicht gezeigten Zahnriemen in Wirkverbindung, der die Welle 10 umschlingt. Der Zahnriemenantrieb, insbesondere das Zahnriemenrad 28, ist von einem Gehäuse, das an der Brennkraftmaschine 12 befestigt ist, insbesondere um von außen stammende Einflüsse auf den Zahnriemenantrieb zu verhindern, umgeben.
Die Welle 10 weist einen zweiten axialen Abschnitt 18 in einem äußeren Raumbereich 20 auf und durchdringt unter anderem eine Wand 22, in dieser Ausführungsform eine äußere Wand, des Gehäuses des Zahnriemenantriebs durch eine Öffnung 24. Erfindungsgemäß ist die Öffnung 24 dadurch verschlossen, dass auf der Welle 10 ein Wälzlager 26 an der Durchdringungsstelle der Wand 22 aufgenommen ist. Das Wälzlager 26 ist vorteilhaft in dieser Ausführungsform mittelbar über ein Toleranzausgleichselement 30 in die Öffnung 24 der Wand 22 eingepasst. Auf diese Weise wird die Öffnung 24 beziehungsweise die Wellendurchführung staubdicht abgedichtet, so dass keine Fremdkörper und kein Staub aus dem äußeren Raumbereich 20 in den inneren Raumbereich 16 gelangen können.
Da die Welle 10 in der Brennkraftmaschine 12 mittels nicht in der 1 gezeigten Lagern aufgenommen ist, ist das erfindungsgemäß zum Einsatz gelangende Wälzlager 26 konstruktionsgemäß im Wesentlichen nicht von der Welle 10 kraftbeaufschlagt. In der Praxis können Schwingungen oder Abweichungen von der Solllage zu einer geringen, a priori unerwünschten Kraftwirkung führen.
Im äußeren Raumbereich 20 ist auf dem zweiten axialen Abschnitt 18, einem freien Wellenende der Welle 10 ein Schwingungstilger 36 zur Dämpfung von Schwingungen der Welle 10 aufgenommen.
Die 2 stellt eine Ausführungsform des Toleranzausgleichselements 30 der in der 1 gezeigten Ausführungsform dar. Das drehsteife Toleranzausgleichselement 30 umgibt das Wälzlager 26 und ist unmittelbar in die Öffnung 24 der Wand 22 (siehe 1) eingepasst. Es umfasst zwei Elastomerkonturen 32, welche durch zwei Spalte 34 voneinander getrennt sind. Die Verläufe der zwei Spalte 34 sind jeweils entlang der Verlängerung der äußeren Kontur der langen Seite des Wälzlagers 26 orientiert. Wie in der 1 auch zeichnerisch dargestellt ist, haben die senkrecht zur Wand 22 verlaufenden Querschnitte der Elastomerkonturen 32 die Form zweier seitengleicher, symmetrischer Trapeze, deren kurze Parallelseiten aneinandergrenzen. Die Welle 10 ist daher in der Folge zum Toleranzausgleich beweglich in zwei orthogonale Richtungen senkrecht zu ihrer Achse aufgenommen, wobei aber eine Drehung der Welle 10 beziehungsweise des Toleranzausgleichselements 30 verhindert wird.
Anstatt einer elastischen Aufhängung oder Einpassung des Wälzlagers, wie sie in der Ausführungsform der 1 und 2 gezeigt ist, kann alternativ dazu vorgesehen werden, dass das Zahnriemengehäuse bei der Montage über den Sitz des Wälzlagers zentriert und erst anschließend fixiert wird, so dass keine elastische Aufhängung notwendig ist.
Des Weiteren kann, um axial ausreichend Platz für das erfindungsgemäß zum Einsatz gelangende Wälzlager zu schaffen, der Schwingungstilger getopft ausgeführt sein.
Bezugszeichenliste

10: Welle
12: Brennkraftmaschine
14: erster axialer Abschnitt
16: innerer Raumbereich
18: zweiter axialer Abschnitt
20: äußerer Raumbereich
22: Wand
24: Öffnung
26: Wälzlager
28: Zahnriemenrad
30: Toleranzausgleichselement
32: Elastomerkontur
34: Spalt
36: Schwingungstilger

Claims

Welle (10) zur Übertragung eines Drehmoments, welche wenigstens einen ersten axialen Abschnitt (14) in einem inneren Raumbereich (16) und einen zweiten axialen Abschnitt (18) in einem äußeren Raumbereich (20) aufweist, wobei die zwei Raumbereiche (16,20) durch eine Wand (22) mit wenigstens einer Öffnung (24) getrennt sind und die Welle (10) durch die Öffnung (24) der Wand (22) hindurch verläuft, wobei auf der Welle (10) ein nicht die Welle (10) abstützendes Wälzlager (26) derart aufgenommen ist, dass die Öffnung (24) der Wand (22) mittels des Wälzlagers (26) geschützt gegen feste Fremdkörper aus dem äußeren Raumbereich (20) verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (10) eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine (12) ist.
Welle (10) zur Übertragung eines Drehmoments gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem ersten axialen Abschnitt (14) im inneren Raumbereich (16) ein Zahnriemenrad (28) aufgenommen ist.
Welle (10) zur Übertragung eines Drehmoments gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (10) hülsenlos und/oder dichtungslos durch die Wand (22) hindurch verläuft und/oder das Wälzlager (26) gekapselt ist.
Welle (10) zur Übertragung eines Drehmoments gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (26) ein Rillenkugellager, ein Pendellager oder ein Nadellager ist.
Welle (10) zur Übertragung eines Drehmoments gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (26) mittelbar über ein Toleranzausgleichselement (30) in der Wand aufgenommen ist.
Welle (10) zur Übertragung eines Drehmoments gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Toleranzausgleichselement (30) wenigstens eine drehmomentsteife Elastomerkontur (32) umfasst.
Welle (10) zur Übertragung eines Drehmoments gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem zweiten Abschnitt (18) im äußeren Raumbereich (20) ein Schwingungstilger (36) aufgenommen ist.
Brennkraftmaschine (12), gekennzeichnet durch eine Welle (10) zur Übertragung eines Drehmoments gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.
Brennkraftmaschine (12) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (12) einen Steuertrieb mit einem Zahnriemenantrieb aufweist, wobei der Zahnriemen in einem Gehäuse gekapselt ist und die Welle umschlingt.