DE102013200237A1 - Multipart balancer shaft for internal combustion engine that is utilized for vehicle, has body that is arranged with two metal sheet moldings that form cavity for retaining weight that is made of high density material - Google Patents

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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C3/00—Shafts; Axles; Cranks; Eccentrics
    • F16C3/04—Crankshafts, eccentric-shafts; Cranks, eccentrics
    • F16C3/20—Shape of crankshafts or eccentric-shafts having regard to balancing

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Shafts, Cranks, Connecting Bars, And Related Bearings (AREA)

Abstract

The shaft (10) has a body (5) that is arranged with two metal sheet moldings such as an upper metal sheet molding (1), and a lower metal sheet molding (2), that form a cavity or hollow space (11) for retaining a weight (3). The metal sheet moldings are able to be filled. The weight is made of a high density material. The weight is actuated or positively connected with the metal sheet moldings of the shaft body. The metal sheet moldings are filled with a froth material. The metal sheet moldings are connectable by laser welding, bolt friction welding and injection welding.

Description

Die Erfindung geht aus von einer mehrteiligen Massenausgleichswelle, die in einem Gehäuse gelagert ist und deren Wellenkörper aus mehreren Blechformlingen besteht.The invention is based on a multi-part mass balance shaft, which is mounted in a housing and whose shaft body consists of several sheet metal blanks.

Stand der TechnikState of the art

Je nach Anzahl der Zylinder sowie nach Bauart ist es bei Brennkraftmaschinen erforderlich, die auftretenden Kräfte und /oder Momente auszugleichen. Zum Ausgleich von Momenten wird üblicherweise eine Ausgleichswelle vorgesehen, deren Drehrichtung der Drehrichtung der Kurbelwelle entgegengesetzt sein muss. Die Ausgleichswellen werden dabei beispielsweise über eine Kette, mit einem direkt an der Kurbelwelle angeordneten Zahnrad verbunden. Ebenso ist es möglich, ein mit der Kurbelwelle verdrehsicher verbundenes Zahnrad unmittelbar einem auf einer der Ausgleichswellen verdrehsicher angeordneten Zahnrad zu verbinden. Depending on the number of cylinders as well as the design, it is necessary for internal combustion engines to compensate for the occurring forces and / or moments. To compensate for moments usually a balance shaft is provided, the direction of rotation of the direction of rotation of the crankshaft must be opposite. The balance shafts are connected, for example via a chain, with a gear arranged directly on the crankshaft. Likewise, it is possible to connect a gear wheel, which is secured against rotation with the crankshaft, directly to a toothed wheel which is arranged so as to be non-rotating on one of the balance shafts.

Die im Stand der Technik anzutreffenden Ausgleichswellen werden entweder mit Endloszugmitteln oder Zahnrädern von der Kurbelwelle angetrieben und sind nicht von der Kurbelwelle entkoppelbar. Die Ausgleichswellen werden zu jedem Betriebszeitpunkt der Hubkolbenmaschine angetrieben, da sie über die oben genannten Zugmittel oder Zahnräder direkt mit der Kurbelwelle in Verbindung stehen. Herkömmliche Ausgleichswellen werden nach heutigem Stand der Technik durch z.B. Schmieden, Gießen, Sintern als auch durch eine Kombination der genannten Verfahren hergestellt. Die Anforderung an die Massenausgleichswelle ist dabei einerseits Massen zum Ausgleich der Momente des Motors zu tragen, anderseits soll die Welle nicht zu schwer ausgelegt sein, damit das Gesamtgewicht des Fahrzeugs möglichst gering gehalten werden kann. The balancing shafts encountered in the prior art are driven either by endless traction means or gears of the crankshaft and are not decoupled from the crankshaft. The balance shafts are driven at each time of operation of the reciprocating engine, since they are directly connected to the crankshaft via the above-mentioned traction means or gears. Conventional balance shafts are known in the art by e.g. Forging, casting, sintering as well as produced by a combination of the mentioned methods. The requirement of the mass balance shaft is on the one hand to carry masses to compensate for the moments of the engine, on the other hand, the shaft should not be designed too heavy, so that the total weight of the vehicle can be kept as low as possible.

Durch verfahrens- bzw. produktspezifische Anforderungen an die Festigkeit des Teils, können Hohlräume zur Gewichtsreduktion der Massenausgleichswelle nur sehr schwer realisiert werden, bzw. sind bei den klassischen Herstellungsverfahren wie Gießen aufgrund der wunschgemäßen Homogenität des Werkstoffes gänzlich unerwünscht. Ausgleichswellen werden, nach heutigem Stand der Technik, durch Gleitund/oder Wälzlager in einem Gehäuse gelagert. Insbesondere bei Wälzlagerapplikationen sind die Wälzkörper in direktem Kontakt mit der Lagerlaufbahn auf der Ausgleichswelle. Dadurch ergeben sich oft recht hohe Anforderungen an den Grundwerkstoff der Ausgleichswelle. Nach heutigem Stand der Technik wird hierzu ein Wälzlagerstahl (z.B. 100Cr6, C56E2) verwendet. Durch die konventionellen Herstellungsverfahren wie Schmieden, Gießen, Sintern, ist man gezwungen, für die komplette Ausgleichswelle den teuren Wälzlagerstahl einzusetzen.By process or product specific requirements for the strength of the part, cavities for weight reduction of the mass balance shaft can be realized only with great difficulty, or are entirely undesirable in the classical manufacturing processes such as casting due to the desired homogeneity of the material. Balancing shafts are, according to the current state of the art, supported by sliding and / or roller bearings in a housing. Especially in rolling bearing applications, the rolling elements are in direct contact with the bearing raceway on the balance shaft. This often results in quite high demands on the base material of the balance shaft. According to the state of the art, a bearing steel (for example 100Cr6, C56E2) is used for this purpose. The conventional manufacturing processes such as forging, casting, sintering, forced to use the expensive bearing steel for the complete balance shaft.

Aus der DE 4437398 ist es bekannt, Antriebswellen aus Blechformlingen zusammenzusetzen, wobei die Wandstärke des Bleches an die Aufgaben der Wellen lokal anpassbar ist. Die Blechformlinge werden mit Schweißverfahren, wie dem Plasmaschweißen, verbunden. Allerdings sind die Aufgaben einer Antriebswelle unterschiedlich von denen einer Massenausgleichswelle, die bewegte Massen zur Verfügung stellen muss. From the DE 4437398 It is known to assemble drive shafts from sheet metal moldings, wherein the wall thickness of the sheet is locally adaptable to the tasks of the waves. The sheet metal moldings are connected by welding processes, such as plasma welding. However, the tasks of a drive shaft are different from those of a mass balance shaft, which must provide moving masses.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Massenausgleichswelle herzustellen, die auf einfache Art und Weise kostengünstig herstellbar ist und dabei eine Gewichtsreduktion bei Beibehaltung der Funktionalität als bewegte Masse erzielt.The object of the invention is to produce a mass balance shaft, which is inexpensive to produce in a simple manner and thereby achieves a weight reduction while maintaining the functionality as a moving mass.

Gelöst wird die Aufgabe mit den Merkmalen der Ansprüche. Durch die Gestaltung und Herstellung der Ausgleichswellen aus schalenförmigen Einzelteilen, wird das Problem des unnötig eingesetzten Materials gelöst und somit eine deutliche Gewichtsreduktion gegenüber herkömmlich hergestellten Ausgleichswellen erzielt. Vorteilhafterweise wird eine mehrteilige Massenausgleichswelle für eine Verbrennungskraftmaschine verwendet, die in einem Gehäuse gelagert ist, wobei der Wellenkörper aus mindestens zwei Blechformlingen besteht, und die mindestens zwei Blechformlinge einen Hohlraum für die Aufnahme mindestens eines Gewichts bilden. Dadurch dass die Ausgleichswelle durch schalenartige Einzelteile zusammengesetzt wird, wird deutlich weniger Grundmaterial zur Ausgestaltung der Ausgleichswelle eingesetzt. Somit ergibt sich eine Gewichts- und -Kosteneinsparung gegenüber konventionell gefertigten „vollen“ Ausgleichswellen.The problem is solved with the features of the claims. Due to the design and manufacture of the balance shafts of shell-shaped parts, the problem of unnecessarily used material is solved and thus achieved a significant weight reduction over conventionally manufactured balance shafts. Advantageously, a multi-part mass balancing shaft is used for an internal combustion engine, which is mounted in a housing, wherein the shaft body consists of at least two sheet metal blanks, and the at least two sheet metal blanks form a cavity for receiving at least one weight. The fact that the balance shaft is assembled by shell-like items, significantly less base material for the design of the balance shaft is used. This results in a weight and cost savings compared to conventionally manufactured "full" balancer shafts.

Vorteilhafterweise bestehen die mindestens zwei Blechformlinge aus Wälzlagerstahl, wobei durch das Design der Welle Material eingespart werden kann. Noch günstiger ist es, dass die mindestens zwei Blechformlinge im Bereich von Lagern Ringe aus Wälzlagerstahl aufweisen. Die vorliegende Erfindung löst das Kostenproblem, indem für die Einzelteile der Ausgleichswelle, ein kostengünstigerer Grundwerkstoff verwendet wird und nur in den belasteten Bereichen der höherwertige Stahl verwendet wird. Advantageously, the at least two sheet metal blanks made of bearing steel, which can be saved by the design of the shaft material. It is even more favorable that the at least two sheet metal blanks in the region of bearings have rings made of roller bearing steel. The present invention solves the cost problem by using for the individual parts of the balance shaft, a less expensive base material and only in the loaded areas of higher quality steel is used.

Es ist von Vorteil, dass es im Design der Ausgleichswelle den Freiheitsgrad gibt, den Hohlraum zwischen mindestens zwei Blechformlinge vom Gewicht ausgefüllt oder nicht ausgefüllt zu gestalten. Vorteilhafterweise können die verwendeten Gewichte mindestens teilweise aus einem Material hoher Dichte bestehen und so Bauraum reduzieren. Auch Mischungen zwischen Materialien sind somit auf einfache Art und Weise möglich und erlauben dem Konstrukteur eine feine Anpassung an die Forderungen des Massenausgleichs.It is advantageous that in the design of the balance shaft there is the degree of freedom to make the cavity between at least two sheet metal blanks filled by the weight or not filled. Advantageously, the weights used may at least partially consist of a material of high density and thus reduce installation space. Also mixtures between materials are thus possible in a simple manner and allow the designer a fine adjustment to the requirements of mass balance.

Es ist weiterhin von Vorteil, dass die Gewichte auf unterschiedliche Art kraft- oder formschlüssig in der Welle befestigt sind. Vorteilhafterweise wird er Hohlraum zwischen den mindestens zwei Blechformlingen mit einem Schaummaterial ausgefüllt. Das Aushärten des Schaums garantiert, dass die Gewichte in ihrer endgültigen Position fixiert werden. Zusätzlich kann als Schaummaterial ein sogenannter Akustikschaum verwendet werden, der eine Dämpfung von Schall und Schwingungen bewirkt. Dies führt speziell in Kombination mit Wälzlagern, gegenüber herkömmlichen Ausgleichswellen, die als gesenkgeschmiedete, gegossene oder gesinterte Wellen hergestellt sind, zu einem verringertem Geräuschpegel der Wälzlager. It is also advantageous that the weights are fixed in different ways non-positively or positively in the shaft. Advantageously, the cavity between the at least two sheet metal blanks is filled with a foam material. The curing of the foam ensures that the weights are fixed in their final position. In addition, as a foam material, a so-called acoustic foam can be used, which causes a damping of sound and vibrations. This leads to a reduced noise level of the rolling bearings, especially in combination with rolling bearings, compared to conventional balance shafts, which are manufactured as drop-forged, cast or sintered waves.

Vorteilhafterweise werden die Blechformlingen mit Laserschweißverfahren oder Pressverfahren miteinander verbunden. Advantageously, the sheet metal moldings are joined together by laser welding or pressing.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings.

1 zeigt eine schematische Darstellung der beispielhaften Ausführungsform. 1 shows a schematic representation of the exemplary embodiment.

Ein Wellenkörper 5 einer Massenausgleichswelle 10 ist in dieser Ausführungsform aus zwei Blechformlingen aufgebaut, die einen oberen 1 und einen unteren Blechformling 2 darstellen. Werden die beiden Blechformlinge aufeinandergelegt entsteht ein Hohlraum 11 zwischen den vorgeformten Blechformlingen. In diesen Hohlraum eingepasst ist ein Gewicht 3, das im Beispiel einstückig ausgebildet ist. Das Gewicht 3 füllt in diesem Beispiel den Hohlraum 11 nicht völlig aus. Lager 4 lagern den Wellenkörper an den Lagerlaufflächen 8. Die Lager 4 sind als Wälzlager ausgebildet. Im Inneren der Lager 4 sind Innenringe 6 aus Wälzlagerstahl eingebracht. Dadurch wird garantiert, dass die Lagerflächen der Ausgleichswelle den hohen Anforderungen einer Wälzlagerung gerecht werden, auch wenn der Wellenkörper auch einfacherem Stahl hergestellt ist. In einer alternativen Ausführungsform werden mehr als zwei Blechformlinge verwendet und Formbleche der Lagerlaufflächen 8 des Wellenkörpers 5 aus Wälzlagerstahl gepresst und anschließend mit den weiteren Blechformlingen verschweisst oder verpresst. Die eingelegten Gewichte sind Gewichte von hoher Dichte. Man nutzt sich die hohe Dichte (> 8 kg/m3) von Wolfram-Legierungen um die eingelegten Gewichte für die Ausgleichswelle aus diesem Material zufertigen. Damit wird bei einem Minimum an Materialeinsatz die erforderliche Unwucht der Ausgleichswelle erzielt. In einer anderen möglichen Ausführungsform ist ein Mix aus normaldichtem (< 8kg/m3) als auch hochdichtem Material (> 8 kg/m3) möglich.A shaft body 5 a mass balance shaft 10 is constructed in this embodiment of two sheet metal blanks, which has an upper 1 and a lower sheet blank 2 represent. If the two sheet metal pieces are stacked creates a cavity 11 between the preformed sheet metal blanks. Fitted in this cavity is a weight 3 , which is integrally formed in the example. The weight 3 fills the cavity in this example 11 not completely out. camp 4 store the shaft body on the bearing surfaces 8th , Camps 4 are designed as rolling bearings. Inside the warehouse 4 are inner rings 6 introduced from bearing steel. This ensures that the bearing surfaces of the balancer shaft meet the high requirements of a rolling bearing, even if the shaft body is made of simpler steel. In an alternative embodiment, more than two sheet metal blanks are used and shaped sheets of bearing surfaces 8th of the shaft body 5 pressed from bearing steel and then welded or pressed with the other sheet metal blanks. The inserted weights are weights of high density. It uses the high density (> 8 kg / m 3 ) of tungsten alloys to the inserted weights for the balance shaft made of this material. Thus, the required imbalance of the balance shaft is achieved with a minimum of material use. In another possible embodiment, a mix of normal density (<8 kg / m 3) and high-density material (> 8 kg / m 3) is possible.

Auch kann das Gewicht 3 aus mehreren Bauteilen bestehen, die nicht miteinander zusammenhängen und einzeln in den unteren Blechformling 2 des Wellenträgers 5 gelegt werden. Selbstverständlich können diese eingelegten Gewichte auch aus konventionellem, normaldichtem Material bestehen, und durch Schmieden, Sintern, Pressen, Gießen, usw. hergestellt werden. Die Gewichte werden durch Befestigungsmittel wie z.B. Schrauben, Stifte kraftschlüssig mit einem Teil der Welle verbunden werden. Alternativ dazu werden die Gewichte auch formschlüssig oder durch z.B. Kleben mit den Blechformlingen der Welle verbunden.Also, the weight can be 3 consist of several components that are not related to each other and individually in the lower sheet metal blank 2 of the shaft carrier 5 be placed. Of course, these loaded weights can also be made of conventional, normal-density material, and be prepared by forging, sintering, pressing, casting, etc. The weights are connected by fasteners such as screws, pins frictionally with a part of the shaft. Alternatively, the weights are also positively connected or by eg bonding with the sheet metal blanks of the shaft.

Insbesondere kann in einer weiteren Ausführungsform, nach dem Einlegen der Gewichte und dem Zusammenfügen der Einzelteile, der Hohlraum 11 in der Ausgleichswelle mit Schaum z.B. auf Polyurethan-Basis ausgefüllt werden. Das Aushärten des Schaums garantiert, dass die Gewichte 3 in ihrer endgültigen Position fixiert werden. Zusätzlich kann als Schaummaterial ein sogenannter Akustikschaum verwendet werden, der eine Dämpfung von Schall und Schwingungen bewirkt. Dies führt speziell in Kombination mit Wälzlagern als Lager 4, gegenüber herkömmlichen Ausgleichswellen zu einem verringertem Geräuschpegel der Wälzlager.In particular, in a further embodiment, after the insertion of the weights and the joining of the individual parts, the cavity 11 be filled in the balance shaft with foam, for example based on polyurethane. The curing of the foam guarantees that the weights 3 be fixed in their final position. In addition, as a foam material, a so-called acoustic foam can be used, which causes a damping of sound and vibrations. This leads especially in combination with bearings as a bearing 4 , compared to conventional balance shafts to a reduced noise level of the bearings.

Um die zwei- oder mehreren Blechformlinge der Welle zu einem Bauteil zu verbinden, wird ein Laserschweißen-Verfahren eingesetzt. Besonders der Einsatz von Faserlasern, die eine hohe Genauigkeit haben und eine schmale Schweißnaht erzeugen. Dabei ist auch die Energieeffizienz der Schweißung und die hohe Schweißgeschwindigkeit von Bedeutung.In order to connect the two or more sheet metal blanks of the shaft to a component, a laser welding method is used. Especially the use of fiber lasers, which have a high accuracy and produce a narrow weld. The energy efficiency of the weld and the high welding speed are also important.

Des Weiteren können die Halbschalen durch Verpressen miteinander verbunden werden. Nach dem Verbinden der Blechformlinge werden die Lager auf die Lagerlaufflächen aufgebracht und die gesamte Massenausgleichswelle in einem Gehäuse 7, das in der Zeichnung nur angedeutet ist, gelagert.Furthermore, the half-shells can be connected to each other by pressing. After joining the sheet metal blanks, the bearings are applied to the bearing surfaces and the entire mass balance shaft in a housing 7 , which is only indicated in the drawing, stored.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
oberer Blechformling upper sheet metal form
22
unterer Blechformling lower sheet molding
33
Gewicht Weight
44
Lager camp
55
Wellenkörper shaft body
66
Ringe rings
77
Gehäuse casing
88th
Lagerlauffläche Bearing surface
1010
Massenausgleichswelle Mass balance shaft
1111
Hohlraum cavity

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 4437398 [0005] DE 4437398 [0005]

Claims (9)

Mehrteilige Massenausgleichswelle (10) für eine Verbrennungskraftmaschine, die in einem Gehäuse (7) gelagert ist, wobei der Wellenkörper (5) aus mindestens zwei Blechformlingen (1, 2) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Blechformlinge (1, 2) einen Hohlraum (11) für die Aufnahme mindestens eines Gewichts (3) bilden.Multipart mass balance shaft ( 10 ) for an internal combustion engine, which is housed in a housing ( 7 ), wherein the shaft body ( 5 ) of at least two sheet metal blanks ( 1 . 2 ), characterized in that the at least two sheet metal blanks ( 1 . 2 ) a cavity ( 11 ) for taking at least one weight ( 3 ) form. Mehrteilige Massenausgleichswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Blechformlinge (1, 2) zumindest teilweise aus Wälzlagerstahl bestehen.Multipart mass balance shaft according to claim 1, characterized in that the at least two sheet metal blanks ( 1 . 2 ) consist at least partially of rolling bearing steel. Mehrteilige Massenausgleichswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Blechformlinge (1, 2) im Bereich von Lagern (4) Ringe (6) aus Wälzlagerstahl aufweisen.Multipart mass balance shaft according to claim 1, characterized in that the at least two sheet metal blanks ( 1 . 2 ) in the area of warehouses ( 4 ) Rings ( 6 ) have from bearing steel. Mehrteilige Massenausgleichswelle nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht (3) den Hohlraum (11) zwischen mindestens zwei Blechformlinge (1, 2) nicht ausfüllt.Multipart mass balance shaft according to claim 1 to 3, characterized in that the weight ( 3 ) the cavity ( 11 ) between at least two sheet metal blanks ( 1 . 2 ) does not fill. Mehrteilige Massenausgleichswelle nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht (3) den Hohlraum (11) zwischen mindestens zwei Blechformlinge (1, 2) ausfüllt.Multipart mass balance shaft according to claim 1 to 3, characterized in that the weight ( 3 ) the cavity ( 11 ) between at least two sheet metal blanks ( 1 . 2 ). Mehrteilige Massenausgleichswelle nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gewicht (3) mindestens teilweise aus einem Material hoher Dichte besteht. Multipart mass balance shaft according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one weight ( 3 ) consists at least partially of a material of high density. Mehrteilige Massenausgleichswelle nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gewicht (3) kraftschlüssig oder formschlüssig mit den Blechformlingen (1, 2) des Wellenkörpers (5) verbindbar sind.Multipart mass balance shaft according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one weight ( 3 ) frictionally or positively with the sheet metal blanks ( 1 . 2 ) of the shaft body ( 5 ) are connectable. Mehrteilige Massenausgleichswelle nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (11) zwischen den mindestens zwei Blechformlingen (1, 2) mit einem Schaummaterial ausgefüllt ist. Multipart mass balance shaft according to one of the preceding claims, characterized in that the cavity ( 11 ) between the at least two sheet metal blanks ( 1 . 2 ) is filled with a foam material. Mehrteilige Massenausgleichswelle nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Blechformlingen (1, 2) über Laserschweissen, Bolzenreibschweissen oder Verpressen verbindbar sind.Multipart mass balance shaft according to one of the preceding claims, characterized in that the at least two sheet metal blanks ( 1 . 2 ) via laser welding, Bolzenreibschweissen or pressing are connectable.
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