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Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine aufweisend eine Kurbelwelle mit einem schräg verzahnten Kurbelwellenzahnrad und einer ersten Ausgleichswelle mit einem schräg verzahnten Ausgleichswellenzahnrad, die miteinander kämmen. Die Ausgleichswelle ist parallel zur Kurbelwelle angeordnet. Über die Schrägverzahnung des Kurbelwellenzahnrades und des Ausgleichswellenzahnrades werden von der Kurbelwelle auf die Ausgleichswelle Kräfte in axialer Richtung übertragen.
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Verbrennungskraftmaschinen mit einer Ausgleichswelle gehören zum Stand der Technik. Damit werden die Kräfte und Momente erster und/oder zweiter Ordnung ausgeglichen, welche zum Beispiel durch ein Kurbeltriebwerk verursacht werden. Die Ausgleichswelle ist über die Kurbelwelle über eine Zahnradverbindung angetrieben. Häufig ist diese Zahnradverbindung als schräg verzahnte Zahnradverbindung mit einem schräg verzahnten Kurbelwellenzahnrad ausgeführt, welches fest mit der Kurbelwelle verbunden ist, und einem schräg verzahnten Ausgleichswellenzahnrad, welches fest mit der Ausgleichswelle verbunden ist. Während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine werden periodisch, dynamische Kräfte von dem Kolben über das Pleuel auf die Kurbelwelle übertragen. Diese dynamischen Kräfte verursachen eine diskontinuierlich angetriebene Kurbelwelle. Solch ein diskontinuierliches Antreiben einer Kurbelwelle bewirkt eine diskontinuierliche Drehbeschleunigung der Kurbelwelle. Diese diskontinuierlichen Drehbeschleunigungen der Kurbelwelle bewirken diskontinuierliche Axialkräfte, die von der Kurbelwelle über das Kurbelwellenzahnrad und das Ausgleichswellenzahnrad auf die Ausgleichswelle eingeleitet werden. Über diesen Vorgang werden sowohl die Kurbelwelle als auch die Ausgleichswelle entlang jeweils ihrer axialen Richtung beschleunigt. Die daraus resultierenden Bewegungen der Kurbelwelle und der Ausgleichswelle werden durch Bauteile gestoppt, welche fest mit einem Motorgehäuse der Verbrennungskraftmaschine verbunden sind. Durch dieses Stoppen der axialen Bewegungen der Kurbelwelle beziehungsweise der Ausgleichswelle werden Axialkräfte in das Motorgehäuse übertragen. Diese in das Motorgehäuse übertragenen Axialkräfte verursachen eine zusätzliche Geräuschentwicklung der Verbrennungskraftmaschine.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, bei welcher die Geräuschentwicklung verringert wird, welche durch die Übertragung von Axialkräften von der Kurbelwelle auf die Ausgleichswelle entsteht.
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Diese Aufgabe wird mit einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1, mit einem Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 8 und einem Verfahren zur Montage einer Kurbelwellenausgleichswelleneinheit mit den Merkmalen des Anspruches 12 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Merkmale gehen aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung hervor. Die nunmehr vorgeschlagenen Ansprüche dienen als ein erster Vorschlag zur Formulierung der Erfindung, ohne aber diesbezüglich beschränkend sein zu wollen. Insbesondere können auch ein oder mehrere Merkmale aus den unabhängigen wie abhängigen Ansprüchen durch ein oder mehrere Merkmale aus der Beschreibung zur Konkretisierung der Erfindung ergänzt und/oder ersetzt werden. Auch können ein oder mehrere Merkmale aus jeweils verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung zu weiteren Ausbildungen der Erfindung verknüpft werden.
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Es wird eine Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, welche eine Kurbelwelle mit zumindest einem Kurbelwellenzahnrad, bevorzugt einem schräg verzahnten Kurbelwellenzahnrad und zumindest eine Ausgleichswelle mit einem Ausgleichswellenzahnrad aufweist. Die Ausgleichswelle ist parallel zur Kurbelwelle angeordnet. Des Weiteren weist die Verbrennungskraftmaschine ein Koppelelement auf, wobei das Koppelelement ein erstes Axiallager aufweist, in dem die Kurbelwelle gelagert ist. Das Koppelelement weist außerdem ein zweites Lager, bevorzugt ein weiteres Axiallager auf, in dem die Ausgleichswelle gelagert ist. Das Koppelelement ist in einem Raum vom Motorgehäuse beabstandet von einer Motorgehäusewandung frei angeordnet.
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Die im Rahmen der Erfindung als Ausgleichswelle bezeichnete Welle ist z. B. nicht nur ausschließlich eine Ausgleichswelle. Vielmehr kann diese Ausgleichswelle zusätzlich auch als Abtriebswelle fungieren. Auch eine andere Funktion dieser Welle ist möglich, wie sie beispielhaft nachfolgend näher erläutert sind, ohne aber abschließend zu sein. Des Weiteren besteht gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung auch die Möglichkeit, dass anstelle der Nutzung der Welle als Ausgleichswelle diese Welle eine ganz andere Funktion hat, die die Funktion als Ausgleichswelle nicht aufweist. So kann diese Welle beispielsweise ausschließlich als Abtriebswelle genutzt werden. Auch kann sie beispielsweise als Antriebswelle eingesetzt werden, zum Beispiel für ein oder mehrere nebengeordnete Aggregate, zum Beispiel für einen Generator wie einer Lichtmaschine und/oder Klimagenerator, einer Pumpe oder eine sonstige anzutreibende Komponente. Diese Welle ist in gleicher Weise wie die nachfolgend näher beschriebene Ausgleichswelle angeordnet, wobei sämtliche nachfolgenden Ausgestaltungen und Merkmale auch für diese Welle offenbart sind. Gleiches gilt auch für ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine sowie ein Verfahren zur Montage einer Kurbelwellen-Ausgleichswelleneinheit, welche nachfolgend noch näher erläutert werden. Auch hier kann die Ausgleichswelle eine weitere Funktion aufweisen bzw. gemäß dem weiteren Gedanken an Stelle der Ausgleichswelle eine andere Welle vorliegen, die keine Ausgleichsfunktion aufweist.
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Die Verbrennungskraftmaschine weist ein Motorgehäuse auf, in dem die Kurbelwelle und die Ausgleichswelle angeordnet sind. Innerhalb des Motorgehäuses sind Radiallager zum Lagern der Kurbelwelle angeordnet, welche im Folgenden als Kurbelwellenmotorgehäuselager bezeichnet werden. Auch befinden sich dort Radiallager zum Lagern der Ausgleichswelle, welche im Folgenden als Ausgleichswellenmotorgehäuselager bezeichnet werden, angeordnet. Diese Radiallager sind fest mit dem Motorgehäuse verbunden. Innerhalb des Motorgehäuses bedeutet hierbei, dass die Lager in Lagerböcken, in einer Wandung des Motorgehäuses und/oder in einer Stütze angeordnet sind, die jeweils fest mit dem Motorgehäuse verbunden sind. Sie können Bestandteil des Motorgehäuses sein oder mit diesem form- und kraftschlüssig verbunden sein. Dieses wird nachfolgend beispielhaft erläutert.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist das Koppelelement zwischen einer Motorgehäuseaußenwand und dem ersten nachfolgenden Lagerbock angeordnet. Beispielsweise können auch zwei oder mehr Koppelelemente vorgesehen sein. Beispielsweise sind jeweils ein erstes Koppelelement in einem ersten Bereich an einem Längsende und ein zweites Koppelelement in einem zweiten Bereich an einem anderen Längsende der Verbrennungskraftmaschine angeordnet. Auch kann nur ein einzelnes Koppelelement vorgesehen sein, beispielsweise in etwa mittig. Auch kann die Lage des Koppelelements in Abhängigkeit von der Anordnung der kämmenden Zahnradverbindung gewählt werden. So kann beispielsweise eine Schrägverzahnung an einem Ende, das Koppelelement am anderen Ende der Ausgleichswelle angeordnet sein.
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In einer ersten Ausführung ist die Kurbelwelle von unten in das Motorgehäuse eingebaut und über angeschraubte Lagerdeckel hängend gehalten. Zur Versteifung des Motorgehäuses kommen im Bereich der Kurbelwellenmotorgehäuselager bevorzugt angeschraubte Leiterrahmen zum Einsatz. Vorzugsweise ist die Ausgleichswelle parallel zur Kurbelwelle auch von unten in das Motorgehäuse eingebaut. Die radiale Lagerung der Kurbelwelle und der Ausgleichswelle im Motorgehäuse ist in einer Ausgestaltung unter anderem mithilfe der Lagerdeckel ausgeführt, in welchen Lagerschalen angeordnet sind. Die Lagerschalen der Ausgleichswellenmotorgehäuselager sind bevorzugt über angeschraubte Lagerdeckel hängend gehalten.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Kurbelwelle liegend in Lagerstellen einer Grundplatte gelagert und wird durch von oben aufgesetzte Lagerdeckel gehalten. Bevorzugt ist auch die Ausgleichswelle liegend in Lagerstellen derselben Grundplatte gelagert und wird ebenfalls durch aufgesetzten Lagerdeckel gehalten. Vorzugsweise sind die Ausgleichswellenmotorgehäuselager sowie die Kurbelwellenmotorgehäuselager mithilfe der jeweiligen Lagerstellen der Grundplatte, an welchen Lagerschalen angeordnet sind, und den entsprechenden Lagerdeckeln, an welchen weitere Lagerschalen angeordnet sind, ausgeführt.
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In einer weiteren Ausführung ist das Motorgehäuse geteilt. Bevorzugt ist das Motorgehäuse auf Höhe der Kurbelwelle in Ober- und Unterhälfte geteilt. Diese Ausführungsform benötigt keine Lagerdeckel für die Kurbelwelle und die Ausgleichswelle. Die Ausgleichswellenmotorgehäuselager sowie die Kurbelwellenmotorgehäuselager sind mithilfe der Ober- und Unterhälfte des Motorgehäuses ausgeführt, welche jeweils Lagestellen zur radialen Lagerung der Ausgleichswelle und der Kurbelwelle aufweisen. Die Ausführungsform des Motorgehäuses in Ober- und Unterhälfte mit Lagerstellen für die Ausgleichswellenmotorgehäuselager sowie die Kurbelwellenmotorgehäuselager ist besonders steif und akustisch vorteilhaft.
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Das Material des Motorgehäuses kann Gusseisen, Sphäroguss, GGV, Grauguss oder Leichtmetall sein. Das Motorgehäuse kann aber auch als Schweißkonstruktion aus Stahl oder Stahlguss ausgeführt sein.
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Vorzugsweise sind die Ausgleichswellenmotorgehäuselager und die Kurbelwellenmotorgehäuselager Gleitlager und/oder Wälzlager. Insbesondere ist die Kurbelwelle über mindestens zwei Kurbelwellenmotorgehäuselager im Motorgehäuse gelagert. In einer speziellen Ausführungsform sind die Kurbelwellenmotorgehäuselager und die Ausgleichswellenmotorgehäuselager als Gleitlager oder als Wälzlager ausgeführt. In einer weiteren Ausführungsform sind die Kurbelwellenmotorgehäuselager als Gleitlager und die Ausgleichswellenmotorgehäuselager als Wälzlager ausgeführt. In einer anderen Ausführungsform sind die Kurbelwellenmotorgehäuselager als Wälzlager und die Ausgleichswellenmotorgehäuselager als Gleitlager ausgeführt.
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Die Wälzlager sind bevorzugt gemäß den Ausgestaltungen von Wälzlagerungen ausgeführt, wie sie beispielsweise aus der
DE 101 53 018 A1 ,
DE 199 26 406 A1 wie auch aus der
DE 24 35 332 A1 hervorgehen. Auf diese wird bezüglich der Art der Wälzlager, der Anordnung von Loslager und Festlager, bezüglich verwendeter Lagerkörper wie auch verwendeter Lagermaterialien und Lageraufbauten im Rahmen der Offenbarung der Erfindung verwiesen.
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Die Lagerung der Ausgleichswelle am Motorgehäuse mit Hilfe von Ausgleichswellenmotorgehäuselagern bewirkt ein Radialausgleichswellenlagerspiel, welches eine Bewegung der Ausgleichswelle entlang der Drehachse der Ausgleichswelle mit dem Betrag des Radialausgleichswellenlagerspiels zulässt. Gleichermaßen bewirkt eine Lagerung der Kurbelwelle mit Kurbelwellenmotorgehäuselagern im Motorgehäuse ein axiales Radialkurbelwellenlagerspiel, welches eine Bewegung der Kurbelwelle entlang der Drehachse der Kurbelwelle mit dem Betrag des Radialkurbelwellenlagerspiels zulässt.
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Des Weiteren ist die Kurbelwelle über das Kurbelwellenzahnrad und das Ausgleichswellenzahnrad kraftschlüssig mit der Ausgleichswelle verbunden. Die Ausgleichswelle ist durch die Kurbelwelle angetrieben. Das bevorzugt schräg verzahnte Kurbelwellenzahnrad, welches das schräg verzahnte Ausgleichswellenzahnrad antreibt, ermöglicht über die Schrägverzahnung ein Einwirken einer Kraft von der Kurbelwelle auf die Ausgleichswelle in axialer Richtung der Ausgleichswelle. Über den Kurbeltrieb ist die Kurbelwelle diskontinuierlich angetrieben. Dieser diskontinuierliche Antrieb bewirkt eine diskontinuierliche Drehbeschleunigung der Kurbelwelle. Die diskontinuierlich beschleunigte Kurbelwelle leitet über das schräg verzahnte Kurbelwellenzahnrad Kräfte in axialer Richtung auf das Ausgleichswellenzahnrad beziehungsweise auf die Ausgleichswelle. Über dieses Einleiten von axialen Kräften von der Kurbelwelle auf die Ausgleichswelle ist ein Kräftepaar generiert, welches eine erste Kraft, welche von der Kurbelwelle auf die Ausgleichswelle in eine erste Richtung wirkt, und eine zweite Kraft aufweist, welche von der Ausgleichswelle auf die Kurbelwelle in eine zweite Richtung wirkt, wobei die Orientierung der ersten Kraft entgegengesetzt der zweiten Kraft ist.
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Hierfür wird nun vorgeschlagen, dass die Verbrennungskraftmaschine zumindest ein Koppelelement aufweist. Ein erstes Koppelelement weist zum Beispiel ein erstes Axiallager auf, in dem die Kurbelwelle gelagert ist und ein zweites Lager bevorzugt ein weiteres Axiallager, in dem die Ausgleichswelle gelagert ist.
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In einer speziellen Ausführungsform weist die Verbrennungskraftmaschine mithilfe des ersten Koppelelementes und des ersten Axiallagers eine feste Axiallagerung der Kurbelwelle auf und bevorzugt auch eine feste Axiallagerung der Ausgleichswelle mit Hilfe eines zweiten Axiallagers auf. Zum Beispiel sind das erste und das zweite Axiallager jeweils als zweiseitig wirkende Axiallager ausgeführt. Gemäß einer Ausgestaltung weist das erste Axiallager ein Axialkurbelwellenlagerspiel in axialer Richtung der Kurbelwelle, welches eine Bewegung der Kurbelwelle bezüglich des ersten Koppelelementes zulässt, und das zweite Axiallager ein Axialausgleichswellenlagerspiel in axialer Richtung der Ausgleichswelle auf, welches eine Bewegung der Kurbelwelle bezüglich des ersten Koppelelementes zulässt, welches eine Bewegung der Ausgleichswelle bezüglich des ersten Koppelelementes zulässt.
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Die Summe aus dem Axialkurbelwellenlagerspiel und dem Axialausgleichswellenlagerspiel wird im Folgenden als Axiallagerspielsumme bezeichnet. Insbesondere ist die Axiallagerspielsumme kleiner als das Radialkurbelwellenlagerspiel und auch kleiner als das Radialausgleichswellenlagerspiel. Dadurch kann mithilfe des ersten Koppelelementes, welches die Kurbelwelle in axialer Richtung bevorzugt fest lagert, insbesondere auch die Ausgleichswelle in axialer Richtung bevorzugt fest lagert, eine Kraft, welche vom schräg verzahnten Kurbelwellenzahnrad auf das schräg verzahnte Ausgleichswellenzahnrad und damit auf die Ausgleichswelle wirkt, kompensiert werden. Genauso kann mithilfe dieses ersten Koppelelementes eine Kraft, welche vom schräg verzahnten Ausgleichswellenzahnrad auf das schräg verzahnte Kurbelwellenzahnrad und damit auf die Kurbelwelle wirkt, kompensiert werden.
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Beispielsweise bildet das erste Koppelelement mit dem ersten Axiallager, dessen Axiallagerspielsumme kleiner als das Kurbelwellenradiallagerspiel und auch kleiner als das Ausgleichswellenradiallagerspiel ist, eine Axialkraftkompensationsvorrichtung zur Vermeidung der Einleitung von axialen Kräften von der Kurbelwelle und der Ausgleichswelle in das Motorgehäuse.
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Das Koppelelement ist vorschlagsgemäß in einem Raum vom Motorgehäuse beabstandet von einer Motorgehäusewand frei angeordnet. Das Koppelelement selbst ist somit ohne formschlüssigen Kontakt mit dem Gehäuse. Vielmehr ist es im Raum quasi schwebend angeordnet, getragen durch die Lagerung mit der Kurbelwelle und der Ausgleichswelle.
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Beispielsweise weist das erste Koppelelement ein Axialkurbelwellenlager auf. In einer speziellen Ausführungsform ist das erste Koppelelement durch mindestens ein Axialkurbelwellenlager und ein Axialausgleichswellenlager frei im Motorgehäuse gehalten.
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In einer speziellen Ausführungsform wird mithilfe des ersten Koppelementes eine feste Axiallagerung der Kurbelwelle durch zwei Axiallager bewirkt. Dies können zum Beispiel zwei Axialrillenkugellager sein. In einer weiteren Ausführungsform ist eine Axiallagerung der Kurbelwelle mithilfe des ersten Koppelelementes durch zwei Axialschrägkugellager bewirkt. Auf diese Weise besteht jeweils die Möglichkeit, beispielsweise ein Festlager zu bilden. Ebenso kann die Ausgleichswelle auch mit zwei Axiallagern am ersten Koppelelement in axialer Richtung fest gelagert sein. Diese zwei Lager können Axialrillenkugellager sein. Ebenso ist eine Festlagerung in axialer Richtung der Ausgleichswelle mit einem Axialschrägkugellager möglich.
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Generell kann eine Festlagerung der Ausgleichswelle wie auch der Kurbelwelle in axialer Richtung der Ausgleichswelle und entsprechend der Kurbelwelle in Bezug zu dem ersten Koppelelement durch jede Art von Wälzlagern realisiert sein. Ist die feste Lagerung der Kurbelwelle oder der Ausgleichswelle bezüglich des ersten Koppelelementes in axialer Richtung mit Hilfe von zwei Wälzlagern ausgeführt, so können diese in X-, in O- und/oder auch in Tandemanordnung angeordnet werden. Besonders bevorzugt ist eine Festlagerung in axialer Richtung der Ausgleichswelle und der Kurbelwelle in Bezug zu dem ersten Koppelelement durch ein zweiseitig wirkendes Axialrillenkugellager realisiert. Zur festen Lagerung in axialer Richtung der Ausgleichswelle und der Kurbelwelle in Bezug zum ersten Koppelelement sind insbesondere die folgenden Axiallager einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar, wie beispielsweise: ein- oder zweireihige Rillenkugellager, beispielsweise mit einer Deckscheibe oder einer Dichtscheibe oder einem Sprengring; Schrägkugellager, die ein- oder zweireihig sind; Pendelkugellager, mit zum Beispiel zylindrischer Bohrung oder mit kegeliger Bohrung; Zylinderrollenlager, zum Beispiel ein- oder zweireihig, insbesondere mit Käfig; Laufrollenlager; Nadellager und Schulterkugellager. So wie Wälzlagerarten, die beispielsweise Axial- und Radialkräfte aufnehmen können, wie beispielsweise einige der oben aufgeführten Lager und Kombinationen davon. Die Wälzlager können in X-, in O- und/oder auch in Tandemordnung angeordnet werden.
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Als Werkstoffe für die Lager kommen beispielsweise warmfeste, nichtrostende Stähle, Kobaltlegierungen wie auch Keramikwerkstoffe in Frage. Das Käfigmaterial kann ebenfalls diese Werkstoffe und/oder Stahl und/oder Messing aufweisen. Der Käfig kann auch ein Bleckkäfig sein. Ein weiterer Werkstoff des Käfigs kann eine Bronze sein, beispielsweise eine Phosphorbronze oder auch eine Ferrosiliziumbronze. Für einige Anwendungen kann auch Kunststoff verwendet werden, insbesondere Glasfaser verstärkte Kunststoffe, zum Beispiel Glasfaser verstärktes Polyamid 66. Vorzugsweise sind die Laufbahnen der Lager für die Wälzkörper gehärtet, insbesondere einsatzgehärtet. Die Einsatzhärtungstiefe liegt insbesondere in einem Bereich zwischen 0,4 mm und 1 mm. Insbesondere können die gehärteten Laufbahnen direkt in ein Koppelelement, zum Beispiel in das erste Koppelelement, und auf die Kurbelwelle beziehungsweise die Ausgleichswelle eingepresst werden. Somit werden die Axiallager in das erste Koppelelement integriert. Vorzugsweise sind diese gehärteten Laufbahnen geschliffen beziehungsweise gerollt. Im Besonderen weisen diese Axiallager keinen Innen- und Außenring auf.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Axiallager des ersten Koppelelementes als Hybridlager ausgeführt, wobei ein Hybridlager mindestens zwei Bauteile mit zwei verschiedenen Werkstoffen aufweist. In einer Weiterbildung weisen die Axiallager des ersten Koppelelementes als Hybridlager Lagerringe aus Stahl und Wälzkörper aus Keramik, zum Beispiel Siliziumnitrid oder Zirkondioxid, auf.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Axiallager als Spannlager ausgeführt. Das Axiallagerspiel der Kurbelwelle als auch der Ausgleichswelle und insbesondere die Axiallagerspielsumme ist beispielsweise über ein einstellbares Spannlager regulierbar. Im Besonderen ist das Spannlager über einen Regulierungsmechanismus regulierbar. Der Regulierungsmechanismus ist aktivierbar. In einer speziellen Ausführungsform ist der Regulierungsmechanismus dann aktiviert, falls die Axiallagerspielsumme einen vorgegebenen Betrag überschreitet. Beispielsweise berührt ein Aktivierungselement, welches mit dem ersten Koppelelement fest in Verbindung steht, den Regulierungsmechanismus, falls das Axiallagerspiel die vorgegebene Größe überschreitet. Ist das Axiallagerspiel kleiner als die vorgegebene Größe, so berührt das Aktivierungselement nicht den Regulierungsmechanismus. Bevorzugt wird mit einer Einheit aufweisend ein Axiallager, welches als Spannlager ausgeführt ist, einen Regulierungsmechanismus und ein Aktivierungselement sichergestellt, dass die Axiallagerspielsumme kleiner als das Kurbelwellenradiallagerspiel und/oder das Ausgleichswellenradiallagerspiel ist.
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Eine Schmierung einer Lagerung, insbesondere eines Axiallagers kann gemäß einer Ausgestaltung über eine Ölleitung in Form einer Bohrung in der Kurbelwelle erfolgen. Zum Beispiel gelangt Öl von einer Bohrung in einer Kurbelwelle in das erste Axiallager, welches die Kurbelwelle mit dem ersten Koppelelement verbindet. Über die Fliehkraft wird das Öl vom Innenring des ersten Axiallagers hin zum Außenring geschleudert. Auch ist ein Schleudern des Öls vom Innenring des ersten Axiallagers in einen Raum möglich, welcher durch die Wände des ersten Koppelelementes gebildet wird. Das vom Innenring oder der Kurbelwelle selbst weggeschleuderte Öl wird über die Wände des ersten Koppelementes zum Axiallager geleitet, welches die Ausgleichswelle lagert.
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In einer weiteren Ausführungsform wird das Axiallager, welches die Ausgleichswelle lagert über einen Ölnebel geschmiert, welcher sich im Motorgehäuse während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine befindet. Generell ist eine freie Schmierung des Axiallagers, welches die Ausgleichswelle lagert, möglich.
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Im Folgenden werden die Lager eines Koppelelementes, welche die Kurbelwelle lagern, als Kurbelwellenlager bezeichnet. Kurbelwellenlager, die als Axiallager ausgeführt sind, werden als Axialkurbelwellenlager bezeichnet. Kurbelwellenlager, welche als Radiallager ausgeführt sind werden als Radialkurbelwellenlager bezeichnet. Ebenso werden die Lager eines Koppelelementes, welche die Ausgleichswelle lagern, als Ausgleichswellenlager bezeichnet. Ausgleichswellenlager, welche als Radiallager ausgeführt sind, werden als Radialausgleichswellenlager bezeichnet. Ausgleichswellenlager, welche als Axiallager ausgeführt sind, werden als Axialausgleichswellenlager bezeichnet.
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Zur Vereinfachung der Offenbarung werden im Folgenden Radiallager als Lager angesehen, welche lediglich Lagerkräfte in radialer Richtung aufnehmen können. Dazu zählen insbesondere Zylinderrollenlager. Insbesondere zählen dazu Zylinderrollenlager, welche ein Bord am Außenring, jedoch zwei Borde am Innenring aufweisen. Des Weiteren zählen zu den Radiallagern Zylinderrollenlager, welche zwei feste Borde am Außenring, jedoch kein Bord am Innenring aufweisen.
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Als Axiallager werden im Folgenden zur Vereinfachung der Offenbarung alle Lager betrachtet, welche eine Lagerkraft in axialer Richtung aufnehmen können. Demnach können Axiallager Kräfte in axialer Richtung als auch in radialer Richtung aufnehmen. Dazu zählen insbesondere Schrägkugellager, Axialrillenkugellager, zweiseitig wirkende Axialrillenkugellager, Axialschrägkugellager, Axialzylinderrollenlager, Axialpendelrollenlager, Pendelrollenlager und Kegelrollenlager.
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In einer speziellen Ausführungsform ist das zweite Lager des Koppelelementes ein erstes Axialausgleichswellenlager, welches die Ausgleichswelle in axialer Richtung fest lagert. Dies kann zum Beispiel ein zweiseitig wirkendes Rillenkugellager sein. Das erste Axiallager des Koppelelementes ist ein erstes Axialkurbelwellenlager, welches die Kurbelwelle in axialer Richtung fest lagert. Dies kann ebenso ein zweiseitig wirkendes Rillenkurbelwellenlager sein. In dieser Ausführungsform weist das erste Koppelelement bevorzugt auch ein erstes Radialausgleichswellenlager auf, zum Beispiel ein Zylinderrollenlager. Dieses Radialausgleichswellenlager weist ein Spiel in axialer Richtung auf, welches größer als die Lagerluft des Axialausgleichswellenlagers in axialer Richtung der Ausgleichswelle ist.
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Genauso weist in dieser Ausführungsform das erste Koppelelement bevorzugt ein Radialkurbelwellenlager auf, zum Beispiel ein Zylinderrollenlager. Ebenfalls weist dieses Radialkurbelwellenlager zur radialen Lagerung der Kurbelwelle im ersten Koppelelement ein axiales Spiel auf, welches größer als die Lagerluft in axialer Richtung der Kurbelwelle des Axialkurbelwellenlagers des ersten Koppelelementes ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das zweite Lager des Koppelelementes bevorzugt ein erstes Axialausgleichswellenlager. Weiterhin weist das Koppelelement ein zweites Axialausgleichswellenlager auf. Das erste und das zweite Axialausgleichswellenlager können zum Beispiel einseitig wirkende Rillenkugellager sein. Des Weiteren weist diese Ausführungsform ein erstes Radialausgleichswellenlager auf, zum Beispiel ein Zylinderrollenlager. Durch das erste und das zweite Axialausgleichswellenlager ist die Ausgleichswelle fest in axialer Richtung gegenüber dem ersten Koppelelement gelagert. Gemäß dieser Ausführungsform ist das erste Axiallager des Koppelelementes bevorzugt ein erstes Axialkurbelwellenlager. Das Koppelelement weist bevorzugt auch ein zweites Axialkurbelwellenlager auf. Das erste als auch das zweite Axialkurbelwellenlager können beide zum Beispiel als Rillenkugellager ausgeführt sein. Ebenso weist diese Ausführungsform bevorzugt ein erstes Radialkurbelwellenlager zum Lagern der Kurbelwelle in radialer Richtung gegenüber dem ersten Koppelelement auf. Durch das erste und zweite Axialkurbelwellenlager ist die Kurbelwelle in axialer Richtung fest gegenüber dem ersten Koppelelement gelagert.
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In einer dritten Ausführungsform ist das zweite Lager des Koppelelementes bevorzugt ein erstes Axialausgleichswellenlager. Ferner weist das Koppelelement bevorzugt ein zweites Axialausgleichswellenlager auf. Durch das erste und das zweite Axialausgleichswellenlager kann gemäß einer Ausgestaltung die Ausgleichswelle sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung fest gegenüber dem ersten Koppelelement gelagert sein. Zum Beispiel können das erste und das zweite Axialausgleichswellenlager jeweils als einreihiges Kegelrollenlager ausgeführt sein. Kegelrollenlager weisen eine hohe Steifigkeit auf, da die Wälzkörper eine höhere Berührungsfläche gegenüber dem Innen- beziehungsweise dem Außenring des Lagers haben, im Vergleich zu Rillenkugellagern. Gemäß dieser Ausführungsform ist das erste Axiallager des Koppelelementes bevorzugt ein erstes Axialkurbelwellenlager. Weiterhin weist das Koppelelement bevorzugt ein zweites Axialkurbelwellenlager auf. Das erste und das zweite Axialkurbelwellenlager lagern die Kurbelwelle einerseits in axialer Richtung fest zum ersten Koppelelement als auch in radialer Richtung gegenüber dem Koppelelement. Zum Beispiel können das erste und zweite Axialkurbelwellenlager als einreihige Kegelrollenlager ausgeführt sein.
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In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist das erste und bevorzugt das zweite Axialkurbelwellenlager sowie das erste und bevorzugt das zweite Axialausgleichswellenlager als Axialschrägkugellager ausgeführt. Die Ausführungsform bietet gegenüber der Ausführungsform mit den Kegelrollenlagern den Vorteil eines geräuschärmeren Laufes der Wälzkörper. Sowohl die Ausführungsform mit jeweils zwei Kegelrollenlagern als auch die Ausführungsform mit jeweils zwei Axialschrägkugellagern zum axialen Lagern jeweils der Kurbelwelle und der Ausgleichswelle kommen gemäß einer Ausgestaltung ohne ein Radiallager aus, zum Beispiel wenn die Kegelrollenlager und auch die Axialschrägkugellager ausreichend Lagerkräfte in radialer Richtung aufnehmen können.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbrennungskraftmaschine mit einem ersten und einem zweiten Koppelelement vorgesehen, welche eine Axiallagerung von jeweils Kurbelwelle und Ausgleichswelle aufweisen, wobei das erste und das zweite Koppelelement frei innerhalb des Motorgehäuses angeordnet sind.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Verbrennungskraftmaschine ebenfalls ein erstes und ein zweites Koppelelement auf, wobei das erste und zweite Koppelelement durch ein Zusammenwirken miteinander, zum Beispiel durch eine mechanische Verbindung des ersten mit dem zweiten Koppelelement beispielsweise in Form eines Verbindungselementes, eine axiale Abstützung von Kurbelwelle und Ausgleichswelle aufweisen. Dieses Zusammenwirken zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass das erste und das zweite Koppelelement Lagerkräfte der Kurbelwelle und/oder der Ausgleichswelle in axialer Richtung aufnehmen. Das erste und das zweite Koppelelement sind ebenfalls frei innerhalb des Motorgehäuses angeordnet. Vorzugsweise sind das erste und das zweite Koppelelement ausschließlich über die Wellen innerhalb des Motorgehäuses abgestützt.
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In einer Ausführungsform weist das erste Koppelelement ein erstes Axialausgleichswellenlager und ein erstes Radialkurbelwellenlager auf. Das erste Axialausgleichswellenlager kann zum Beispiel als zweiseitiges Rillenkugellager ausgeführt sein, während das erste Radialkurbelwellenlager zum Beispiel als Zylinderrollenlager ausgeführt sein kann. Das zweite Koppelelement weist in dieser Ausführungsform ein erstes Radialausgleichswellenlager zum Beispiel ein Zylinderrollenlager, und ein erstes Axialkurbelwellenlager, zum Beispiel ein zweiseitiges Rillenkugellager, auf. Vorzugsweise ist das erste Koppelelement mit dem zweiten Koppelelement verschraubt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das erste Koppelelement ein erstes und ein zweites Axialausgleichswellenlager auf, wobei diese beiden Lager zum Beispiel als Rillenkugellager, bevorzugt als einseitig wirkende Rillenkugellager, ausgeführt sein können. Das zweite Koppelement weist ein erstes Axialkurbelwellenlager und ein zweites Axialkurbelwellenlager auf, wobei diese Lager auch als Rillenkugellager, bevorzugt als einseitig wirkende Rillenkugellager, ausgeführt sein können. Das erste Koppelelement weist ferner ein Radialkurbelwellenlager zur radialen Lagerung der Kurbelwelle auf. Genauso weist das zweite Koppelelement ein erstes Radialausgleichswellenlager zum radialen Lagern der Ausgleichswelle auf. Vorzugsweise ist das erste Koppelelement mit dem zweiten Koppelelement verschraubt.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das erste Koppelelement ein erstes und ein zweites Axialausgleichswellenlager auf, wobei diese Lager als Kegelrollenlager und/oder als Axialschrägkugellager ausgeführt sind. Das zweite Koppelelement weist ein erstes und ein zweites Axialkurbelwellenlager auf, wobei diese Lager als Kegelrollenlager und/oder als Axialschrägkugellager ausgeführt sind. Bevorzugt ist das erste Koppelelement mit dem zweiten Koppelelement verschraubt.
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Entsprechend einer weiteren Ausführungsform weist die Verbrennungskraftmaschine zumindest ein zweites Koppelelement auf, welches mit dem ersten Koppelelement über eine zusätzliche Abstützung fest verbunden ist. Bevorzugt ist das erste Koppelelement mit dem zweiten Koppelement über ein Verbindungselement verschweißt. In einer anderen Ausführungsform ist das erste Koppelelement mit dem zweite Koppelelement über ein Verbindungselement verschraubt.
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Bevorzugt weisen zumindest zwei Koppelelemente eine drehsteife Verbindung miteinander auf. Werden mehrere Koppelelemente verwendet, können jeweils zwei drehsteif miteinander verbunden sein oder beispielsweise auch mehr als zwei bzw. alle.
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In einer besonderen Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine, welche ein erstes und ein zweites Koppelelement aufweist, sind das erste und das zweite Koppelelement gleich ausgeführt. Zum Beispiel kann das erste Koppelelement ein erstes und ein zweites Axialkurbelwellenlager und ein Radialausgleichswellenlager aufweisen. Das zweite Koppelelement, welches genauso wie das erste Koppelelement ausgeführt ist, weist dementsprechend ein erstes Axialkurbelwellenlager, ein zweites Axialwellenkurbellager und ein erstes Radialausgleichswellenlager auf, wobei das erste und das zweite Axialkurbelwellenlager jeweils identisch mit dem ersten und zweiten Axialausgleichswellenlager des ersten Koppelelementes sind.
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Beispielsweise werden das erste und das zweite Koppelelement in gleicher Weise hergestellt. Auch können die Lager in das erste und das zweite Koppelelement in gleicher Weise montiert werden. Eine Ausgestaltung einer Montage des ersten und des zweiten Koppelelementes auf die Kurbelwelle beziehungsweise die Ausgleichswelle sieht beispielsweise vor, dass das zweite Koppelelement um 180° in der Ebene gedreht wird, welche durch die Ausgleichswelle und die Kurbelwelle gebildet wird. Anschließend werden das erste und das zweite Koppelelement miteinander verschraubt. Bevorzugt weist das erste Koppelelement auch ein zweiseitig wirkendes Rillenkugellager zum Lagern der Ausgleichswelle und ein erstes Radiallager zur radialen Lagerung der Kurbelwelle auf, welches zum Beispiel als Zylinderrollenlager ausgeführt ist. Dementsprechend weist das zweite Koppelelement ein zweiseitig wirkendes Rillenkugellager zum axialen Lagern der Kurbelwelle und ein Radiallager zur radialen Lagerung der Ausgleichswelle auf, zum Beispiel ein Zylinderrollenlager.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbrennungskraftmaschine derart gestaltet, dass eine Radiallagerung der Ausgleichswelle sich am Motorgehäuse abstützt. Die Radiallagerung für die Ausgleichswelle weist beispielsweise zwei Radiallager auf. Diese Radiallager können Gleitlager sein. In einer speziellen Ausführungsform können diese Radiallager auch Wälzlager sein, insbesondere Nadellager und/oder Zylinderrollenlager. Gemäß einer Ausgestaltung sind die Radiallager in das Motorgehäuse integriert. In einer weiteren Ausführungsform sind die Radiallager an das Motorgehäuse geschraubt oder geschweißt. Insbesondere ist die Radiallagerung der Ausgleichswelle mithilfe von solchen Ausgleichswellenmotorgehäuselagern ausgeführt, wie sie oben beschrieben sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Verbrennungskraftmaschine eine zweite Ausgleichswelle auf. Diese zweite Ausgleichswelle ist mit der Kurbelwelle bevorzugt ebenfalls über ein oder mehrere Koppelelemente verbunden. Dieses Koppelelement ist im Motorgehäuse ebenfalls beabstandet von der Motorgehäusewandung frei angeordnet. Des Weiteren enthält dieses Koppelelement zumindest eine Lagerung, welche die zweite Ausgleichswelle lagert. Bevorzugt lagert dieses Koppelelement auch die Kurbelwelle. Eine Ausgestaltung sieht zumindest ein drittes und ein viertes Koppelelement vor, über die die zweite Ausgleichswelle mit der Kurbelwelle unter Nutzung jeweiliger Lager in den Koppelelementen verbunden sind. Eine Weiterbildung sieht vor, dass im ersten und zweiten Koppelelement nicht nur die erste, sondern zusätzlich auch die zweite Ausgleichswelle gelagert wird. Auch besteht die Möglichkeit, dass nur ein Koppelelement vorhanden ist, in welchem die erste und die zweite Ausgleichswelle gelagert sind. Auch können mehr als zwei derartige Koppelelemente vorhanden sein.
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Die Lagerung der zweiten Ausgleichswelle im Koppelelement kann beispielsweise durch ein zweiseitig wirkendes Axiallager erfolgen. Über eine axial feste Lagerung der zweiten Ausgleichswelle im Koppelelement, welches auch die Kurbelwelle in axialer Richtung fest lagert, können axiale Kräfte, welche durch eine Schrägverzahnung eines Kurbelwellenzahnrades und eines Zahnrades, welche die zweite Ausgleichswelle antreibt, kompensiert werden. Vorzugsweise rotiert die zweite Ausgleichswelle entgegengesetzt zur ersten Ausgleichswelle. In einer besonderen Ausführungsform ist die zweite Ausgleichswelle auch in radialer Richtung durch ein Radiallager gelagert, welches in einem Koppelelement angeordnet ist.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Verbrennungskraftmaschine eine Rotationsverbindung auf, die die Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine mit zumindest einer Ausgleichswelle der Verbrennungskraftmaschine koppelt. Die Ausgleichswelle ist gegensinnig zur ersten Welle drehbar gelagert. Die Produkte von Trägheitsmomenten und jeweilig zugehöriger Drehzahlverhältnisse einzelner miteinander rotatorisch mittels der Rotationsverbindung gekoppelter, drehender Komponenten heben sich zumindest annähernd gegenseitig auf. In einer speziellen Ausführungsform ist die zweite Welle als erste Ausgleichswelle ausgeführt. Bevorzugt ist die Rotationsverbindung in Form einer Zahnradverbindung zwischen der Kurbelwelle und der ersten Ausgleichswelle ausgeführt. Zum Beispiel kann die Zahnradverbindung ein schräg verzahntes Kurbelwellenzahnrad und ein schräg verzahntes Ausgleichswellenzahnrad aufweisen. Eine Rotationsverbindung kann aber auch durch einen Zahnriemen, einen Keilriemen oder eine Kette ausgeführt sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind über die Kurbelwelle weitere drehende Komponenten gekoppelt. Dies können insbesondere eine Generatorwelle, eine zweite Ausgleichswelle, eine Generatorwelle, welche als zweite Ausgleichswelle ausgeführt ist, oder weitere Nebenaggregate der Verbrennungskraftmaschine sein. In einer weiteren Ausgestaltung kann die zweite Welle auch eine Generatorwelle sein. Insbesondere kann die zweite Welle eine Welle eines Generators zur Stromerzeugung eines Hybridantriebes sein. Insbesondere heben sich die Produkte von Trägheitsmomenten und jeweilig zugehöriger Drehzahlverhältnisse der Kurbelwelle, der Generatorwelle und des Generators selbst sich annähernd gegenseitig auf.
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Eine Verbrennungskraftmaschine mit einer derartig vorgeschlagenen Rotationsverbindung geht beispielsweise aus der DE ... (?) hervor, auf die im Rahmen der Offenbarung der Erfindung vollständig Bezug genommen wird. Durch Kombination der dort beschriebenen verschiedenen Ausgestaltungen von Verbrennungskraftmaschinen und deren Nutzung mit hier vorgeschlagenem Koppelelement und Ausgleichswelle lässt sich eine besonders ruhig laufende, wenig bis gar nicht vibrierende Verbrennungskraftmaschine erstellen.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist die Verbrennungskraftmaschine ein elastisches Pufferelement auf, welches zwischen einem Koppelelement und einer Motorgehäusewandung angeordnet ist. Bevorzugt ist das elastische Pufferelement zwischen dem ersten Koppelelement und der Motorgehäusewandung angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform ist das Pufferelement an der Abstützung angeordnet, welche das erste mit dem zweiten Koppelelement verbindet. Insbesondere bewirkt das elastische Pufferelement eine weiche Lagerung eines Koppelelementes, bevorzugt des ersten Koppelelementes. Diese weiche Lagerung bewirkt eine akustische Entkoppelung des ersten und/oder zweiten Koppelelementes vom Motorgehäuse. Gemäß einer Ausgestaltung ist das Pufferelement als Anschlagbegrenzung vorgesehen. Bewegt sich das Koppelelement im Raum, verhindert das Pufferelement ein direktes Auftreffen auf eine feste Wand oder sonstiges Element der Motorgehäuses. Das Pufferelement kann am Koppelelement und/oder am Motorgehäuse im Inneren angeordnet werden. Auch können mehrere Pufferelemente vorgesehen sein, zum Beispiel so, dass ein Pufferelement auf ein Pufferelement trifft. Des Weiteren wird vorzugsweise vorgesehen, dass in beide Schwenkrichtungen des Pufferelements jeweils zumindest ein Pufferelement angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung, der auch unabhängig von dem oben vorgesehenen Vorschlag weiterverfolgbar ist, wird ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen. Dieses Verfahren sieht ein Antreiben einer Ausgleichswelle der Verbrennungskraftmaschine durch eine Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine über eine schräg verzahnte Zahnradverbindung vor. Ein Übertragen von Kräften in axialer Richtung zwischen der Ausgleichswelle und der Kurbelwelle erfolgt über ein erstes Koppelelement, wobei das erste Koppelelement frei in einem Raum eines Motorgehäuses der Verbrennungskraftmaschine mittels jeweils einer im Koppelelement angeordneten Lagerung an Ausgleichswelle und Kurbelwelle gehalten wird.
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Des Weiteren ist gemäß einer Weiterbildung ein mechanisches Koppeln der Ausgleichswelle in axialer Richtung der Ausgleichswelle mit Hilfe eines frei in einem Raum des Motorgehäuses angeordneten Koppelelementes, aufweisend ein Axialkurbelwellenlager und ein Ausgleichswellenlager, vorgesehen. Außerdem sieht das Verfahren ein Übertragen von Kräften in axialer Richtung der Ausgleichswelle über das Koppelelement auf die Kurbelwelle vor.
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Beispielsweise erfolgt eine Axiallagerung von Kurbelwelle und Ausgleichswelle über mehrere frei im Motorraum angeordnete Koppelelemente, die durch Kurbelwelle und Ausgleichswelle gehalten werden.
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Insbesondere erfolgt das Antreiben der Ausgleichswelle der Verbrennungskraftmaschine über eine Kurbelwelle mit einem schräg verzahnten Kurbelwellenzahnrad und einem schräg verzahnten Ausgleichswellenzahnrad, welches fest mit der Ausgleichswelle verbunden ist. Die Kraft wird dabei bevorzugt direkt von dem schräg verzahnten Kurbelwellenzahnrad auf das schräg verzahnte Ausgleichswellenzahnrad übertragen. Das Antreiben der Ausgleichswelle über die schräg verzahnte Zahnradverbindung erfolgt insbesondere diskontinuierlich, da die Kurbelwelle über die Pleuel von den Kolben der Verbrennungskraftmaschine diskontinuierlich angetrieben wird. Über das diskontinuierliche Antreiben der Ausgleichswelle werden diskontinuierliche Kräfte in axialer Richtung der Ausgleichswelle erzeugt. Diese Kräfte bewirken eine Beschleunigung der Ausgleichswelle in axialer Richtung. Um dieser Beschleunigung entgegenzuwirken, wird die Ausgleichswelle in axialer Richtung der Ausgleichswelle mit Hilfe eines frei in einem Raum des Motorgehäuses angeordneten Koppelelementes mechanisch mit der Kurbelwelle gekoppelt. Dabei wird mit Hilfe eines Axialkurbelwellenlagers das Koppelelement axial fest bezüglich der Kurbelwelle gelagert. Des Weiteren wird mit einem Axialausgleichswellenlager die Ausgleichswelle in axialer Richtung fest bezüglich des Koppelelementes gelagert. Über das Axialkurbelwellenlager und das Axialausgleichswellenlager erfolgt ein Übertragen von Kräften in axialer Richtung von der Ausgleichswelle zur Kurbelwelle und von der Kurbelwelle zur Ausgleichswelle, wobei dadurch eine Beschleunigung der Ausgleichswelle und auch der Kurbelwelle in axialer Richtung vermieden wird.
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Bevorzugt kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren eine Vertrennungskraftmaschine so wie oben beschrieben betrieben werden.
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Des Weiteren wird eine Weiterbildung des Verfahrens vorgeschlagen, wobei die Kräfte in axialer Richtung der Kurbelwelle über das Koppelelement auf die Ausgleichswelle übertragen werden. Diese Übertragung erfolgt bevorzugt über ein Axialkurbelwellenlager, welches die Kurbelwelle in axialer Richtung fest bezüglich des Koppelelementes lagert und ein Axialausgleichswellenlager, welches die Ausgleichswelle fest in axialer Richtung bezüglich des Koppelelementes lagert.
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Des Weiteren ist eine Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, bei welchem ein erstes Drehmoment senkrecht zu einer Ebene, welche durch die Kurbelwelle und die Ausgleichswelle gebildet wird, erzeugt wird, wobei das erste Drehmoment von dem ersten Koppelelement auf die Kurbelwelle wirkt. Insbesondere wird das erste Drehmoment als Reaktion eines auf das erste Koppelelement wirkenden Drehmomentes erzeugt. Das auf das erste Koppelelement wirkende Drehmoment wird insbesondere durch das Aufnehmen der axialen Kräfte generiert, welche von der Kurbelwelle und von der Ausgleichswelle auf das erste Koppelelement wirken. Vorzugsweise sind die axialen Kräfte, welche von der Kurbelwelle auf das Koppelelement wirken, den axialen Kräften, welche von der Ausgleichswelle auf das Koppelelement wirken, entgegen gerichtet.
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Des Weiteren sieht das Verfahren ein Erzeugen eines zweiten Drehmomentes senkrecht zu einer Ebene vor, welche durch die Kurbelwelle und die Ausgleichswelle gebildet wird. Dabei wirkt das zweite Drehmoment von dem ersten Koppelelement auf die Ausgleichswelle. Vorzugsweise ist das erste Drehmoment vom Betrag her gleich groß wie das zweite Drehmoment. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn der Durchmesser des Kurbelwellenzahnrades gleich groß wie der Durchmesser des Ausgleichswellenzahnrades ist.
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Des Weiteren sieht das Verfahren eine Kompensation des ersten und des zweiten Drehmomentes mit Hilfe mindestens eines Radialkurbelwellenlagers und mindestens eines Radialausgleichswellenlagers vor. Dabei ist das Radialausgleichswellenlager mit dem Radialkurbelwellenlager fest über ein zweites Koppelelement verbunden.
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Insbesondere ist das zweite Koppelelement in einem Raum vom Motorgehäuse beabstandet von einer Motorgehäusewandung frei angeordnet, wobei eine Einleitung von dynamischen Kräften von der Ausgleichswelle und der Kurbelwelle in das Motorgehäuse, durch die Kompensation mit Hilfe mindestens eines Radialkurbelwellenlagers und mindestens eines Radialausgleichswellenlagers reduziert wird.
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Vorzugsweise erfolgt die Kompensation des ersten und zweiten Drehmomentes durch das Aufnehmen von Radialkräften im Radialkurbelwellenlager und im Radialausgleichswellenlager. Bevorzugt werden diese radialen Kräfte mit Hilfe von Zylinderrollenlagern kompensiert. Besonders bevorzugt ist die Lagerluft der Radialausgleichswellenlager und der Radialkurbelwellenlager so dimensioniert, dass diese kleiner als die Lagerluft der Kurbelwellenmotorgehäuselager und auch der Ausgleichswellenmotorgehäuselager ist. Insbesondere sind die Radialausgleichswellenlager und die Radialkurbelwellenlager weiter beabstanded von dem Kurbelwellenzahnrad und/oder von dem Ausgleichswellenzahnrad angeordnet als die Kurbelwellenmotorgehäuselager beziehungsweise die Ausgleichswellen motorgehäuselager, bevorzugt so viel weiter beabstandet von dem Kurbelwellenzahnrad, dass ein Einleiten von radial wirkenden Kräfte von der Ausgleichswelle und/oder der Kurbelwelle über die Kurbelwellenmotorgehäuselager beziehungsweise die Ausgleichswellenmotorgehäuselager in das Motorgehäuse reduziert wird. Konstruktionsbedingt können die die Radialausgleichswellenlager und die Radialkurbelwellenlager auch näher an dem Kurbelwellenzahnrad und/oder an dem Ausgleichswellenzahnrad angeordnet als die Kurbelwellenmotorgehäuselager beziehungsweise die Ausgleichswellenmotorgehäuselager sein.
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Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung, der mit dem obigen Verfahren und/oder der Verbrennungskraftmaschine kombiniert wie auch unabhängig von diesen vorgesehen werden kann, wird ein Verfahren zur Montage einer Kurbelwellen-Ausgleichswelleneinheit vorgeschlagen. Dieses Verfahren umfasst einen Vorabzusammenbau von einer Kurbelwelle und einer Ausgleichswelle zu einer Kurbelwellen-Ausgleichswelleneinheit unter Nutzung von zumindest einem Koppelelement, in dem die Kurbelwelle und die Ausgleichswelle gelagert werden. Des Weiteren umfasst dieses Verfahren ein Einsetzen der Kurbelwellen-Ausgleichswelleneinheit in ein Motorgehäuse und eine Lagerung zumindest der Kurbelwelle im Motorgehäuse bei freier Anordnung des Koppelelementes im Raum innerhalb des Motorgehäuses. Zum Beispiel wird die Kurbelwelle, die Ausgleichswelle und ein erstes Koppelelement an einer transportierbaren Montagevorrichtung abgestützt. Dabei verbindet das erste Koppelelement die Kurbelwelle mit der Ausgleichswelle, so dass die Kurbelwelle die Ausgleichswelle und das erste Koppelelement eine Kurbelwellen-Ausgleichswelleneinheit bilden. Die transportierbare Montagevorrichtung ist vorzugsweise ein Wagen, ein transportierbares, insbesondere fahrbares, Gestell oder eine einfache Halterung, welche die Kurbelwelle, die Ausgleichswelle und das erste Koppelelement halten kann. Insbesondere kann durch die transportierbare Montagevorrichtung die Kurbelwellen-Ausgleichswelleneinheit im Ganzen von einer Station zu einer nächsten Station transportiert werden. Über eine Befestigung der Kurbelwelle, der Ausgleichswelle und zumindest einem Koppelelement, welche die Kurbelwelle mit der Ausgleichswelle verbindet, ist sichergestellt, dass beim Transportieren die Lageelemente, welche sich im Koppelelement befinden, nicht belastet werden. Vorzugsweise wird die Ausgleichswelle mit der Kurbelwelle über Axiallager im Koppelelement miteinander verbunden.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Kurbelwellen-Ausgleichswelleneinheit in ein Motorgehäuse eingesetzt wird. Dabei wird vorzugsweise die transportierbare Montagevorrichtung benutzt. Diese transportierbare Montagevorrichtung ist vorzugsweise in mindestens eine Richtung, bevorzugt aber in zwei Richtungen, im Raum drehbar, so dass ein Hinführen der Kurbelwellen-Ausgleichswelleneinheit zum Einbauort im Motorgehäuse im Ganzen möglich ist. Nach dem Einbau wird zumindest die Kurbelwelle im Motorgehäuse gelagert. Dabei wird das Koppelelement im Raum innerhalb des Motorgehäuses frei angeordnet.
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Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung ist ein Verfahren zur Montage der Kurbelwellen-Ausgleichswelleneinheit vorgesehen, welches die folgenden Schritte umfasst: Befestigen der Kurbelwelle an einer Kurbelwellenhalterung, Befestigen der Ausgleichswelle an einer Ausgleichswellenhalterung, Montieren eines Lagerteils eines Axiallagers an dem ersten Koppelement, Montieren eines Lagerteils eines zweiten Lagers, vorzugsweise eines zweiten Axiallagers, an dem ersten Koppelelement, Montieren eines zweiten Lagerteils des Axiallagers an dem ersten Koppelelement oder der Kurbelwelle, Montieren eines zweiten Lagerteils des zweiten Lagers am Koppelelement oder der Ausgleichswelle, Hinführen des Koppelelementes zur Kurbelwellen- und/oder Ausgleichswellenhalterung, Zusammenmontieren des Koppelelementes mit dem Axiallager, dem zweiten Lager, der Kurbelwelle und der Ausgleichswelle zu einer Kurbelwellen-Ausgleichswelleneinheit. Bevorzugt wird die Kurbelwellenhalterung und die Ausgleichswellenhalterung an der transportierbaren Montagevorrichtung gehalten. Nachdem die Kurbelwelle und die Ausgleichswelle an jeweils der Kurbelwellenhalterung und an der Ausgleichswellenhalterung befestigt wurden, wird ein Lagerteil eines Axiallagers an dem ersten Koppelelement montiert. Vorzugsweise fährt ein Roboterarm, welcher das erste Lagerteil festhält zu dem ersten Koppelelement hin und setzt das erste Lagerteil auf das erste Koppelelement auf. Dieser Arbeitsschritt kann allerdings auch manuell erfolgen. Des Weiteren ist vorgesehen, dass ein Lagerteil eines zweiten Lagers am ersten Koppelelement montiert wird, vorzugsweise mit Hilfe desselben Roboterarms wie das Lagerteil des ersten Axiallagers. Die Lagerteile des ersten Axiallagers als auch des zweiten Lagers können Wälzkörper, Lagerkäfige, Innenringe und/oder Außenringe sein. Nach dem Hinführen eines Lagerteils eines Axiallagers zum ersten Koppelelement wird dieses Lagerteil an dem ersten Koppelelement festgehalten. Dies kann manuell aber auch über eine Klemmvorrichtung erfolgen. Insbesondere kann eine solche Klemmvorrichtung auch manuell betätigt werden. In gleicher Weise wird ein Lagerteil des zweiten Lagers nach dem Hinführen zum ersten Koppelelement am ersten Koppelelement festgehalten. Im Anschluss daran wird ein zweites Lagerteil des Axiallagers zum ersten Koppelelement oder der Kurbelwelle hingeführt. Danach wird dieses zweite Lagerteil des Axiallagers am ersten Koppelelement beziehungsweise der Kurbelwelle festgehalten. Entsprechend wird ein zweites Lagerteil des zweiten Lagers zum Koppelelement oder der Ausgleichswelle hingeführt und an dem Koppelelement beziehungsweise der Ausgleichswelle festgehalten. Im Anschluss daran wird das Koppelelement mit dem Axiallager, dem zweiten Lager, der Kurbelwelle und der Ausgleichswelle zu einer Kurbelwellen-Ausgleichswelleneinheit zusammenmontiert. Danach können die Befestigungsvorrichtungen zum Halten der Lagerteile gelöst werden.
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Des Weiteren ist ein Verfahren vorgesehen, welches mit dem oben beschriebenen Verfahren aber auch unabhängig davon weitergeführt werden kann, welches einen Einbau der Kurbelwellen-Ausgleichswelleneinheit in das Motorgehäuse einer Verbrennungskraftmaschine umfasst. Bevorzugt wird dabei die Kurbelwellen-Ausgleichswelleneinheit mit Hilfe der transportierbaren Montagevorrichtung bewegt. Die transportierbare Montagevorrichtung ermöglicht den Transport der Kurbelwellen-Ausgleichswelleneinheit, wobei das Axiallager und das zweite Lager belastungsfrei transportiert werden. Insbesondere ist die transportierbare Montagevorrichtung ein Teil einer Fertigungsstraße, wobei sich die Montagevorrichtung entlang der Fertigungsstraße, vorzugsweise auf der Fertigungsstraße, bewegt. Zum Einbau der Kurbelwellen-Ausgleichswelleneinheit in das Motorgehäuse der Verbrennungskraftmaschine wird die transportierbare Montagevorrichtung zum Motorgehäuse der Verbrennungskraftmaschine bewegt. Dabei wird die Kurbelwellen-Ausgleichswelleneinheit so zum Motorgehäuse positioniert und am oder im Motorgehäuse angeordnet, dass eine Lagerung zumindest der Kurbelwelle im Motorgehäuse erfolgt, wie sie auch im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisiert ist. Das Koppelelement, welches die Kurbelwelle mit dem Ausgleichswellenelement verbindet, wird im Raum innerhalb des Motorgehäuses frei angeordnet.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den nachfolgenden Figuren hervor. Die aus den einzelnen Figuren hervorgehenden Einzelheiten und Merkmale sind jedoch nicht auf diese jeweilige Figur beschränkt. Vielmehr können ein oder mehrere Merkmale mit einem oder mehreren Merkmalen aus verschiedenen Figuren wie auch mit aus der obigen Beschreibung hervorgehenden Merkmalen zu neuen Ausgestaltungen verknüpft werden. Insbesondere dienen die nachfolgenden Ausführungen nicht als Beschränkungen des jeweiligen Schutzbereiches, sondern erläutern beispielhaft einzelne Merkmale sowie ihr mögliches Zusammenwirken untereinander.
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Es zeigen:
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1: eine erste Verbrennungskraftmaschine mit einer ersten Kurbelwelle, einer ersten Ausgleichswelle und einem ersten Koppelelement;
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2: eine zweite Verbrennungskraftmaschine mit einer Ausgleichswelle, einer Kurbelwelle und zwei Koppelelementen;
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3: eine dritte Verbrennungskraftmaschine mit einer Kurbelwelle, einer ersten Ausgleichswelle, einer zweiten Ausgleichswelle und einem Koppelelement; und
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4: eine vierte Verbrennungskraftmaschine mit einer Kurbelwelle, einer Ausgleichswelle, einem Koppelelement und einem elastischen Pufferelement.
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1 zeigt eine erste Verbrennungskraftmaschine 1 aufweisend eine Kurbelwelle 2 mit einem Kurbelwellenzahnrad 3, eine Ausgleichswelle 4 mit einem Ausgleichswellenzahnrad 5, ein erstes Koppelelement 6 mit einem ersten Axiallager 7 und einem zweiten Lager 8, ein Motorgehäuse 9 und eine Motorgehäusewandung 10. Die Kurbelwelle 2 ist parallel zur Ausgleichswelle 4 angeordnet. Des Weiteren ist die Kurbelwelle 2 in axialer Richtung durch das erste Axiallager 7 des ersten Koppelelementes 6 gelagert. Die Ausgleichswelle 4 ist gemäß dieser Ausführungsform durch das zweite Lager 8 des ersten Koppelelementes 6 in axialer Richtung fest gelagert. Das erste Axiallager 7 als auch das zweite Lager 8 können zum Beispiel jeweils ein zweiseitig wirkendes Rillenkugellager sein. In radialer Richtung ist die Kurbelwelle 2 über Kubelwellenmotorgehäuselager 12 und 13 gelagert. Die Ausgleichswelle ist in radialer Richtung über die Ausgleichswellenmotorgehäuselager 14 und 15 gelagert. Die Kubelwellenmotorgehäuselager 12, 13 und die Ausgleichswellenmotorgehäuselager 14 und 15 stützen sich am Motorgehäuse 9 ab. Des Weiteren bilden die Ausgleichswellenmotorgehäuselager 14 und 15 eine Radiallagerung 11 der Ausgleichswelle 4, wobei sich die Radiallagerung 11 am Motorgehäuse 9 abstützt.
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2 zeigt eine zweite Verbrennungskraftmaschine 21 aufweisend eine Kurbelwelle 22 mit einem Kurbelwellenzahnrad 23, eine Ausgleichswelle 24 mit einem Ausgleichswellenzahnrad 25, ein erstes Koppelelement 26 mit einem ersten Axiallager 27 und einem zweiten Lager 28, ein Motorgehäuse 29, eine Motorgehäusewandung 30, zwei Ausgleichswellenmotorgehäuselager 34 und 35, zwei Kubelwellenmotorgehäuselager 32 und 33 und eine Radiallagerung 31 der Ausgleichswelle 4. Diese genannten Komponenten der Verbrennungskraftmaschine 21 sind in entsprechender Weise wie die entsprechenden Komponenten der ersten Verbrennungskraftmaschine 1, welche in der 1 dargestellt ist, angeordnet und zumindest mit den gleichen Funktionen versehen.
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Weiterhin zeigt 2 ein Verbindungselement 41, welches ein erstes Koppelelement 46 mit einem zweiten Koppelelement 40 verbindet. Vorzugsweise ist in dem ersten Koppelelement das erste Axiallager 27 als zweiseitig wirkendes Rillenkugellager ausgeführt. Das zweite Lager 28 des ersten Koppelelementes 46 ist in dieser Ausführungsform als Radialausgleichswellenlager ausgeführt. Das zweite Koppelelement 40 weist in dieser Ausführungsform ein Axialausgleichswellenlager 46, welches als zweiseitig wirkendes Rillenkugellager ausgeführt ist, und ein Radialkurbelwellenlager 47 auf. Die Kopplung des ersten Koppelelementes 46 mit dem zweiten Koppelement 40 über das Verbindungselement 41 bewirkt eine feste Lagerung in axialer Richtung der Ausgleichswelle 24 gegenüber der Kurbelwelle 22.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Ausführungsform, wie sie in 2 dargestellt ist, sind die Lager 27, 28, 46 und 47 jeweils als einseitig wirkende Axiallager ausgeführt. Über die Koppelelemente 46 und 40 werden die axialen Kräfte, welche über das Ausgleichswellenzahnrad 25 und das Kurbelwellenzahnrad 23 jeweils von der Ausgleichswelle 24 auf die Kurbelwelle 22 und von der Kurbelwelle 22 auf die Ausgleichswelle 24 übertragen werden, kompensiert. Diese Kompensation bewirkt das jeweils die Kurbelwelle 22 und die Ausgleichswelle 24 nicht in axialer Richtung aufgrund von axialen Kräften, welche über das schräg verzahnte Ausgleichswellenzahnrad 25 beziehungsweise das schräg verzahnte Kurbelwellenzahnrad 23 auf die Ausgleichswelle 24 beziehungsweise auf die Kurbelwelle 22 wirken, beschleunigt werden. Diese Kompensation der axialen Kräfte, welche über die Axiallager der Koppelelemente 40 und 46 erfolgt, bewirkt, dass ein Drehmoment auf die Ausgleichswelle 24 und auch auf die Kurbelwelle 22 wirkt. Diese Drehmomente werden mit Hilfe eines dritten Koppelelementes 43 kompensiert, welches ein Radialkurbelwellenlager 44 und ein Radialausgleichswellenlager 45 aufweist. Bevorzugt ist das dritte Koppelelement in einem Raum vom Motorgehäuse beabstandet von einer Motorgehäusewandung frei angeordnet. In einer speziellen Ausführungsform sind die Radiallager 44 und 45 als Zylinderrollenlager ausgeführt. In einer weiteren Ausgestaltung ist das dritte Koppelelement 43 mit dem ersten Koppelelement 46 und dem zweiten Koppelelement 40 fest verbunden.
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3 zeigt eine dritte Verbrennungskraftmaschine 61 aufweisend eine Kurbelwelle 62 mit einem Kurbelwellenzahnrad 63, eine Ausgleichswelle 64 mit einem Ausgleichswellenzahnrad 65, ein erstes Koppelelement 66 mit einem ersten Axiallager 67 und einem zweiten Lager 68, ein Motorgehäuse 69, eine Motorgehäusewandung 70, zwei Ausgleichswellenmotorgehäuselager 74 und 75, zwei Kubelwellenmotorgehäuselager 72 und 73 und eine Radiallagerung 71 der Ausgleichswelle 64. Diese genannten Komponenten der Verbrennungskraftmaschine 61 sind in entsprechender Weise wie die entsprechenden Komponenten der Verbrennungskraftmaschine 1, welche in der 1 dargestellt ist, angeordnet und zumindest mit den gleichen Funktionen versehen.
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Des Weiteren zeigt 3 eine zweite Ausgleichswelle 81 mit einem Ausgleichswellenzahnrad 82. Das Koppelelement 66 verbindet die Kurbelwelle 62, die erste Ausgleichswelle 64 und die zweite Ausgleichswelle 81 miteinander.
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4 zeigt eine vierte Verbrennungskraftmaschine 91 mit einem Motorengehäuse 92, einer Kurbelwelle 94 und einer Ausgleichswelle 95 und einem Koppelelement 96. Das Koppelelement 96 verbindet ein Kurbelwellelager 98 mit einem Ausgleichswellenlager 99. Des Weiteren weist die Verbrennungskraftmaschine 91 ein Pufferelement 97 auf, welches zwischen dem Koppelelement 96 und einer Motorengehäusewandung 93 angeordnet ist, auf. Das Pufferelement 97 kann zum Beispiel eine akustische Isolierung des Koppelelementes 96 gegenüber dem Motorgehäuse 92 bewirken. Des Weiteren kann das Pufferelement 97 eine Abstützung des Koppelelementes 96 gegenüber der Motorgehäusewandung 93 bewirken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10153018 A1 [0014]
- DE 19926406 A1 [0014]
- DE 2435332 A1 [0014]
