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Die Erfindung betrifft eine Unwuchtwelle zum Ausgleich von Massenkräften und/oder Massenmomenten einer Brennkraftmaschine. Die Unwuchtwelle umfasst einen oder mehrere Unwuchtabschnitte zur Erzeugung der Wellenunwucht und einen Lagerabschnitt mit einer damit gefügten Lagerschale, die die Innenlaufbahn eines die Unwuchtwelle in der Brennkraftmaschine radial lagernden Wälzlagers bildet.
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Hintergrund der Erfindung
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Die aus Gründen der Reibleistungsreduzierung zunehmende Umstellung von hydrodynamisch gleitgelagerten auf wälzgelagerte Unwuchtwellen zum Massenausgleich einer Brennkraftmaschine erfordert konstruktive Änderungen an den Wellen, die der spezifischen Wälzbelastung des Lagerstellenwerkstoffgefüges Rechnung tragen. Die erforderliche Wälzfestigkeit kann bei einteilig hergestellten Wellen üblicherweise nur durch Schmieden erzielt werden, wobei dieses Herstellverfahren gegenüber den gleitgelagerten Gusswellen mit höheren Kosten verbunden ist.
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Gusswellen mit damit gefügten Schalen aus Wälzlagerstahl sind aus der
EP 2 426 374 A1 , der
DE 10 2009 035 112 A1 , der
DE 10 2010 034 289 A1 und der
DE 10 2008 018 545 A1 bekannt. Eine Gemeinsamkeit der dort offenbarten Unwuchtwellen ist deren hohes Leichtbaupotenzial, d.h. die Gestaltungsmöglichkeit einer Unwuchtwelle mit möglichst geringer Wellenmasse bei gegebener Wellenunwucht. In den zitierten Druckschriften resultiert das Leichtbaupotenzial daraus, dass auch der Lagerabschnitt mit einem in Unwuchtrichtung exzentrierten Massenschwerpunkt geformt ist und somit an der Erzeugung der Wellenunwucht partizipiert.
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Aufgabe der Erfindung
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Unwuchtwelle der eingangs genannten Art hinsichtlich ihres Leichtbaupotenzials weiter zu entwickeln.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Lösung hierfür besteht darin, dass die Innenlaufbahn innerhalb eines der Wellenunwucht entgegen gerichteten Umfangsbereichs des Lagerabschnitts am Umfang unterbrochen ist. Demnach ist die Lagerschale gegenüber den bekannten Unwuchtwellen nicht vollzylindrisch, sondern lediglich teilzylindrisch in dem durch die Wellenunwucht belasteten Umfangsbereich des Lagerabschnitts ausgebildet. Aufgrund des hier vorliegenden Belastungsfalls mit Punktlast auf der Innenlaufbahn und Umfangslast am Wälzlageraußenring bleibt die Lagerschale in dem der Wellenunwucht entgegen gerichteten Umfangsbereich betrieblich unbelastet und kann dort in Form der erfindungsgemäßen Unterbrechung der Innenlaufbahn ausgestaltet werden. Die Laufbahnunterbrechung hat gegenüber einer Lagerschale mit ununterbrochener Innenlaufbahn den Effekt, dass die Masse der Lagerschale in dem der Wellenunwucht entgegen gerichteten Umfangsbereich reduziert ist. Damit ist derjenige Massenanteil der Unwuchtwelle reduziert, welcher der Wellenunwucht entgegenwirkt, so dass im Hinblick auf eine konstant gehaltene Wellenunwucht auch die in Unwuchtrichtung angeordnete Wellenmasse zugunsten des Wellenleichtbaus zu reduzieren ist. Ein weiterer vorteilhafter Effekt besteht darin, dass die umfängliche Unterbrechung der Innenlaufbahn stets auch eine nicht-rotationssymmetrische Lagerschale und folglich eine in Umfangsrichtung formschlüssige Fügeverbindung der Lagerschale mit dem Lagerabschnitt erfordert, so dass das unerwünschte Verdrehen der Lagerschale auf dem Lagerabschnitt „automatisch“ ausgeschlossen ist.
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Die Erfindung eignet sich in besonderem Maße für gegossene Unwuchtwellen, kann darüber hinaus aber auch bei anders hergestellten Unwuchtwellen Anwendung finden, die wälzgelagert sind, aufgrund ihres Werkstoffgefüges jedoch eine Armierung des Lagerabschnitts mit einer wälzlagerfesten Lagerschale benötigen.
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Ein bevorzugter Umfangswinkel α für die Innenlaufbahn liegt – je nach Ausdehnung der mit der Punktlast beaufschlagten Lastzone – im Bereich zwischen α = 120° und α = 200° und besonders bevorzugt zwischen α = 170° und α = 190°, wobei sich dieser Bereich im wesentlichen symmetrisch zur Unwuchtrichtung erstreckt.
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Bei einer ersten Ausgestaltung der Erfindung sollen die an den Lagerabschnitt angrenzenden Unwuchtabschnitte gegenüber dem Lagerabschnitt radial vorspringen, wobei die Lagerschale an den Vorsprüngen beidseitig axial abgestützt ist und einen Innenlaufbahndurchmesser aufweist, der mindestens so groß ist, wie der größte Hüllkreisdurchmesser der Unwuchtabschnitte. Bei dieser Ausgestaltung mit radial zurückspringendem Lagerabschnitt kann sich die Lagerschale mit ihren Stirnflächen an den durch die Durchmesserstufe gebildeten Vorsprüngen der Unwuchtabschnitte axial abstützen, wobei im Hinblick auf eine Montage als axial einzuschiebende Tunnelwelle die Wandstärke der Lagerschale so dimensioniert ist, dass die Wälzlagerinnenlaufbahn zumindest bündig mit dem größten Hüllkreis der Unwuchtabschnitte verläuft.
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Die an den Lagerabschnitt angrenzenden Unwuchtabschnitte können nicht nur im Umfangsbereich der Innenlaufbahn, sondern zusätzlich auch außerhalb davon, nämlich in dem der Wellenunwucht entgegen gerichteten Umfangsbereich des Lagerabschnitts mit beidseits der Lagerschale verlaufenden Vorsprüngen versehen sein, an denen die Lagerschale beidseitig axial abgestützt ist. Letztgenannte Vorsprünge können alternativ auch innerhalb des Axialbereichs des Lagerabschnitts angeordnet sein, wobei sich dann die Lagerschale nicht mit ihren axialen Stirnflächen an den Vorsprüngen abstützt, sondern mit Ausnehmungen versehen ist, deren Innenflächen an den Vorsprüngen abgestützt sind.
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Insbesondere für die erste Ausgestaltung der Unwuchtwelle eignet sich eine Lagerschale, die den Lagerabschnitt lediglich teilumfänglich umschließt, wobei umfängliche Enden der Lagerschale mittels einer Schnappverbindung in dem der Wellenunwucht entgegen gerichteten Umfangsbereich des Lagerabschnitts mit diesem gefügt sind. Alternativ kann die Lagerschale den Lagerabschnitt auch vollumfänglich umschließen, wobei dann die Lagerschale mit umfänglich offenen Enden um den Lagerabschnitt herumgelegt und an den Enden mittels einer Verklinkung geschlossen wird.
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Bei einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung sollen die an den Lagerabschnitt angrenzenden Unwuchtabschnitte gegenüber dem Lagerabschnitt radial zurückspringen, wobei die Lagerschale mittels eines Pressverbands mit dem Lagerabschnitt gefügt ist. In diesem Fall soll die Lagerschale vorzugsweise eine nahtlose Hülse sein, die mittels eines Quer- oder Längspressverbands mit dem Lagerabschnitt gefügt ist und deren Querschnitt vor dem Fügen an den Querschnitt des Lagerabschnitts angepasst ist. Die Querschnitte können im wesentlichen kreissegmentförmig und beispielsweise halbkreisförmig sein.
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Dennoch sind auch bei der zweiten Ausgestaltung die in Verbindung mit der ersten Ausgestaltung erwähnten Fügeverbindungen zwischen dem Lagerabschnitt und der Lagerschale möglich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen die beiden Ausgestaltungen erfindungsgemäßer Unwuchtwellen vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:
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1 die erste Unwuchtwelle in Seitenansicht;
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2 den Querschnitt I-I aus 1;
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3 den Querschnitt II-II gemäß 1 mit einer mit dem Lagerabschnitt verschnappten Lagerschale;
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4 den Querschnitt II-II gemäß 1 mit einer den Lagerabschnitt vollständig umschließenden Lagerschale;
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5 die Draufsicht auf die Lagerschale gemäß Ansicht X in 4;
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6 die zweite Unwuchtwelle in Seitenansicht;
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7 den Querschnitt I-I aus 6;
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8 die Lagerschale aus 6 in Seitenansicht.
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Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale oder Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in 1 dargestellte Unwuchtwelle 1 dient zum Ausgleich von freien Massenkräften zweiter Ordnung einer Brennkraftmaschine in Vierzylinder-Reihenbauweise. Bei diesem auch als Lancaster-Ausgleich bekannten Massenausgleich rotieren zwei Unwuchtwellen mit doppelter Kurbelwellendrehzahl gegensinnig. Die in der Brennkraftmaschine wälzgelagerte Unwuchtwelle ist ein vergleichsweise kostengünstig herstellbares Gussteil und zwecks Erzeugung wälzfester Lagerlaufbahnen mit Lagerschalen 2 aus Wälzlagerstahl armiert.
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Die Unwuchtwelle 1 umfasst einen zylindrischen Antriebsabschnitt 3 zur Aufnahme eines Ketten- oder Zahnrads und eines Axialkugellagers (jeweils nicht dargestellt), Unwuchtabschnitte 4 mit jeweils zur Wellenachse 5 exzentrischem Massenschwerpunkt zur Erzeugung der Wellenunwucht und Lagerabschnitte 6, an denen die Unwuchtwelle mittels Nadellagern (ebenfalls nicht dargestellt) radial wälzgelagert ist. Als Nadellager sind Nadelhülsen vorgesehen, wobei die Innenlaufbahnen 7 der Nadeln jeweils durch die Lagerschalen 2 gebildet sind, die auf die Lagerabschnitte aufgezogen und mit diesen gefügt sind. In den 1 und 5 sind die Unwuchtwellen 1 bzw. 1’ jeweils nur mit montierter rechter Lagerschale 2 dargestellt, um auch die Geometrie der Lagerabschnitte erkennen zu können.
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Alle nachfolgend erläuterten Varianten der Lagerschalen 2 haben die erfindungsgemäße Gemeinsamkeit, dass die durch die Lagerschalen gebildete Innenlaufbahn 7 für die Nadelhülsen innerhalb eines der Wellenunwucht entgegen gerichteten Umfangsbereichs des Lagerabschnitts 6 am Umfang unterbrochen ist. Dies ist in 3 gemäß dem Querschnitt II-II aus 1 verdeutlicht. Der Massenschwerpunkt 8 der Unwuchtwelle 1 ist durch den zur Wellenachse 5 exzentrischen Punkt, und die daraus resultierende Wellenunwucht 9 ist durch den nach unten gerichteten Pfeil symbolisiert. Der Durchmesser der Innenlaufbahn 7 ist mit D-L bezeichnet, und deren Umfangswinkel, in dem die Nadeln der Nadelhülse auf der mit der Wellenunwucht punktbelasteten Lastzone der Lagerschale 2 abwälzen, hat die Größe α, hier etwa 180° symmetrisch zur Punktlast. In dem der Wellenunwucht entgegen gerichteten Winkelbereich, der hier ebenfalls etwa 180° beträgt, benötigen die durch Fliehkräfte beaufschlagten Nadeln der betrieblich rotierenden Nadelhülse keine Innenlaufbahn, die dort erfindungsgemäß auch nicht vorhanden ist.
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Bei der ersten Ausgestaltung der Unwuchtwelle 1 springen die an die Lagerabschnitte 6 angrenzenden Unwuchtabschnitte 4 radial hervor, so dass sich die auf die entsprechend zurückversetzten Lagerabschnitte aufgesetzten Lagerschalen 2 mit ihren Axialstirnflächen beidseitig an diesen umfänglichen Vorsprüngen 10 (siehe 2) im Bereich der Innenlaufbahn 7 abstützen. Eine Einschubmontage der Unwuchtwelle in die Lagerung der Brennkraftmaschine wird dadurch ermöglicht, dass der Innenlaufbahndurchmesser D-L der Lagerschalen etwas größer ist, als der in 1 eingezeichnete größte Hüllkreisdurchmesser D-U der Unwuchtabschnitte.
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Die in 3 dargestellte Lagerschale 2a ist mit umfänglichen Enden offen ausgeführt und umschließt den Lagerabschnitt 6 nur teilumfänglich. Die Enden sind radial einwärts eingerollt und hinter Rastierrampen 11 (siehe 2) auf dem Lagerabschnitt verschnappt. Diese Schnappverbindung wird durch Aufschieben der federharten Lagerschale auf den Lagerabschnitt entgegen der Unwuchtrichtung 9 erzeugt, wobei sich die Lagerschale zunächst elastisch aufspreizt, um dann mit ihren Enden hinter die Rastierrampen zurück zu schnappen.
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Die in 4 dargestellte Lagerschale 2b umschließt den Lagerabschnitt 6 vollumfänglich. Das Fügen der Lagerschale mit dem Lagerabschnitt erfolgt derart, dass die Lagerschale zunächst mit offenen Enden um den Lagerabschnitt herum gezogen wird und anschließend Verzahnungen der Enden miteinander verklinkt werden. Die Verklinkung 12 ist in 5 dargestellt. In 4 sind außerdem weitere Vorsprünge 13 erkennbar, die in dem der Wellenunwucht 9 entgegen gerichteten Umfangsbereich des Lagerabschnitts 6 auf den Unwuchtabschnitten 4 verlaufen und an denen die Lagerschale zusätzlich zu den umfänglichen Vorsprüngen 10 (siehe 2) beidseitig axial abgestützt ist.
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Bei der zweiten Ausgestaltung der Unwuchtwelle 1’ gemäß 5 springen die an die Lagerabschnitte 6 angrenzenden Unwuchtabschnitte 4 nicht radial vor, sondern radial zurück. In diesem Fall sind die Lagerschalen 2 mittels eines Pressverbands mit den Lagerabschnitten gefügt. Zum vereinfachten Aufziehen der Lagerschalen auf die Lagerabschnitte dienen von den Unwuchtabschnitten ausgehende Montagefasen 14 (siehe auch 7). Die Lagerschalen sind vorzugsweise nahtlos hergestellte Hülsen 2c, deren Querschnitt gemäß 8 an den Lagerabschnitt angepasst und im gezeigten Ausführungsbeispiel halbkreisförmig ist. Alternativ sind auch mittels der Verklinkung 12 gemäß 5 geschlossene und aufgepresste Hülsen 2b als Lagerschalen verwendbar.
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Bezugszeichenliste
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Unwuchtwelle
- 2
- Lagerschalen (2a bis 2b)
- 3
- Antriebsabschnitt
- 4
- Unwuchtabschnitt
- 5
- Wellenachse
- 6
- Lagerabschnitt
- 7
- Innenlaufbahn
- 8
- Massenschwerpunkt
- 9
- Wellenunwucht
- 10
- umfänglicher Vorsprung
- 11
- Rastierrampe
- 12
- Verklinkung
- 13
- Vorsprung
- 14
- Montagefase
- α
- Umfangswinkel der Innenlaufbahn
- D-L
- Durchmesser der Innenlaufbahn
- D-U
- Hüllkreisdurchmesser der Unwuchtabschnitte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2426374 A1 [0003]
- DE 102009035112 A1 [0003]
- DE 102010034289 A1 [0003]
- DE 102008018545 A1 [0003]
