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Die Erfindung betrifft ein Maschinengehäuse mit einem Lager für eine erste Welle eines Zahnradgetriebes mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein Beispiel für ein Maschinengehäuse mit einem Lager für eine erste Welle eines Zahnradgetriebes stellen für Hubkolben-Brennkraftmaschinen beispielsweise Massenausgleichswellengetriebe und Ausgleichswellen zur Reduzierung von freien Massenkräften oder Massenmomenten aus akustik- und schwingungstechnischen Gründen dar. Bei Vierzylinder-Hubkolben-Brennkraftmaschinen ist seit langem der sog. „Lanchester-Ausgleich“ bekannt, der oftmals in einem eigenen Ausgleichswellengehäuse an die Hubkolben-Brennkraftmaschine angeflanscht wird. Es sind auch Anwendungen bekannt, bei denen die Ausgleichswellen in das Zylinderkurbelgehäuse integriert sind.
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Als Antrieb für die Ausgleichswellen, die mit der Kurbelwelle synchronisiert werden müssen, sind ebenfalls verschiedene Antriebskonzepte bekannt:
- ❖ Direkter Antrieb über Zahnräder;
- ❖ Direkter Antrieb über Ketten;
- ❖ Indirekter Antrieb über ein Zwischenaggregat, wie beispielsweise eine Schmiermittelpumpe.
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Beim direkten Antrieb der Ausgleichswellen über Zahnräder können folgende Nachteile auftreten:
- Hohe Anforderung an die Akustik erfordern bei Zahnradgetrieben Sondermaßnahmen, um ein eingefordertes Verdrehflankenspiel zwischen dem treibenden und den angetriebenen Zahnrad darzustellen.
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Beispielsweise wird bei der BMW Vierzylinder Brennkraftmaschine mit der internen Bezeichnung M43 das Verdrehflankenspiel über Distanzscheiben exakt eingestellt. Die Distanzscheiben werden zwischen das Zylinder-KurbelGehäuse und das Ausgleichswellengehäuse gelegt. Dieser Lösungsansatz ist nur möglich, wenn die Ausgleichswellen in einem eigenen Gehäuse gelagert sind.
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Bei einer weiteren BMW Vierzylinder Brennkraftmaschine mit der internen Bezeichnung N47 wird das Verdrehflankenspiel über ein genau positioniertes Zwischenrad eingestellt. Die Ausgleichswellen sind hier nicht in einem eigenen Gehäuse gelagert, sondern im Zylinderkurbelgehäuse. Über die Positionierung des Zwischenrades wird hier das Verdrehflankenspiel eingestellt. Bei einem direkten Antrieb der Ausgleichswelle und Lagerung im Zylinderkurbelgehäuse ist dies jedoch üblicher Weise nicht möglich.
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Um die durch ein zu großes Verdrehflankenspiel entstehenden Akustiknachteile (Rasselneigung) zu beheben, gibt es auch vereinzelt Anwendungen mit sog. „verspannten“ Kettenrädern. Die wiederum bergen jedoch die Gefahr von Pfeifgeräuschen, da der Zahneingriff bei verspannten Zahnrädern praktisch spielfrei ausgeführt wird. Ein weiterer Nachteil ist die entstehende Reibung und damit einhergehend eine Kraftstoffverbrauchsmehrung des Antriebs.
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Einen weiteren Weg, wie das Verdrehflankenspiel eines Zahnradgetriebes eingestellt werden kann, ist beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 38 04 575 A1 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, beschrieben. Aus der
DE 38 04 575 A1 ist ein Nebenantrieb bei einer Brennkraftmaschine für einen Luftpresser bekannt, der als Kolbenverdichter mit einem in einem Zylinder geführten Kolben ausgebildet ist. Der Kolben wird über eine Pleuelstange von einer Kurbelwelle angetrieben, die mit einem Antriebszahnrad in Verbindung steht, welches von der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine über Zahnräder angetrieben wird. Hierbei greift das Luftpresser-Antriebszahnrad in ein Zahnrad auf der Nockenwelle ein. Der Nebenantrieb ist dadurch gekennzeichnet, dass das Luftpresser-Antriebszahnrad zur Luftpresser-Kurbelwelle orientiert angebaut ist, dass die Übersetzung zwischen Luftpresser-Antriebszahnrad und Nockenwellen-Zahnrad als ganzzahliges Vielfaches eines Lastspiels des Nockenwellenantriebsdrehmoments ausgeführt und gleichzeitig die Winkelstellung der Luftpresser-Kurbelwelle gegenüber der Nockenwelle so fixiert ist, dass negative Drehmomentanteile der Luftpresser-Kurbelwelle durch Überlagerung mit positiven Drehmomentanteilen der Nockenwelle eliminiert werden. Weiter liegt bevorzugt im Eingriff des Luftpresser-Antriebszahnrads mit dem Zahnrad der Nockenwelle ein eng toleriert gefertigtes oder durch eine Einstellvorrichtung, wie beispielsweise ein Exzenter, ein klein eingestelltes Verdrehflankenspiel vor.
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Die
DE 102 29 367 A1 beschreibt ein Zahnradgetriebe mit einem Gehäuse, einer Antriebs- und einer Abtriebswelle, einem mit der Antriebswelle gekoppelten, im Gehäuse gegebenenfalls über die Antriebswelle gelagerten Zahnrad, das über wenigstens ein Zwischenzahnrad mit einem die Abtriebswelle antreibenden, im Gehäuse gegebenenfalls über die Abtriebswelle gelagerten Zahnrad in Eingriff steht, und mit einer zweiarmigen, die Achse des Zwischenzahnrads lagernden Nachführeinrichtung für das Zwischenzahnrad zur Kompensation von Abstandsänderungen zwischen An- und Abtriebswelle. Die Nachführeinrichtung ist am Gehäuse angelenkt. Ein Arm ist mit einem Ende zur Verbindungslinie zwischen den Achsen der Zahnräder auf der dem Zwischenzahnrad abgewandten Seite angelenkt und dessen Länge derart gewählt, dass das Zahnflankenspiel im Wesentlichen konstant bleibt.
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Weiterhin ist die Verwendung eines Exzenters zur Einstellung eines Verdrehflankenspiels beispielsweise aus dem BMW Motorradmotor K40 der Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft bekannt.
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Die Einstellbarkeit des Verdrehflankenspiels über einen Exzenter erfordert in der Kontaktstelle der Exzenterlagerung zum Maschinengehäuse eine Spielpassung um die Drehbarkeit des Exzenters zu gewährleisten. Bei einigen Anwendungen kann das erforderliche Spiel akzeptiert werden ohne die Bauteilfunktion über Lebensdauer zu gefährden. Wesentliche Einflussfaktoren für die Tolerierbarkeit sind:
- - Die zu übertragenden Kräfte an der Lagerstelle.
- - Der Wärmeeintrag im Betriebszustand (Verantwortlich für Spielveränderungen an der Lagerstelle).
- - Die Steifigkeit des Maschinengehäuses im Bereich der Exzenterlagerung.
- - Die Steifigkeit der Exzenterkonstruktion.
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Bei hochdrehenden Triebwerken mit hohen dynamischen Kraftanregungen in Verbindung mit hoher Temperaturbeaufschlagung an der Exzenterlagerstelle kann ein zur Einstellung erforderliche Exzenterspiel unter ungünstigen Betriebsbedingungen zu Funktionsbeeinträchtigungen (akustisch, mechanisch) oder zum Totalausfall des Aggregats führen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile und Risiken die durch das Exzenterspiel auftreten können zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Für Konstruktionskonzepte, bei denen die antreibende und die angetriebene Welle bevorzugt in einem gemeinsamen Maschinengehäuse gelagert sind, ist jetzt die Möglichkeit der Einstellbarkeit des Verdrehflankenspiels über einen Exzenter gegeben und die Nachteile die durch das notwendige Exzenterspiel für die Einstellung des Verdrehflankenspiels entstehen können sind durch die Werkstoffauswahl des Exzenters und des Maschinengehäuses behoben. Hierbei wird ein Werkstoff gewählt der gegenüber dem umgebenden Maschinengehäusewerkstoff eine größere Wärmeausdehnung besitzt. Damit kann das Exzenterspiel unter Betriebstemperatur auf „Null“ gebracht werden. Da die Einstellbarkeit des Verdrehflankenspiels gegeben ist können aufwendige Klassierungsmaßnahmen der Zahnräder oder der Einsatz von verspannten Zahnrädern im ersten Optimierungsschritt entfallen. Auch für mehrteilige Gehäuse ist diese Einstellmöglichkeit jederzeit anwendbar, komplizierte und teure Vermessungen der Geometrie und der Einsatz von Distanzscheiben sind nicht erforderlich.
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Das erfindungsgemäße Konstruktionskonzept ermöglicht zusätzlich die Einstellung des Verdrehflankenspiels beispielsweise beim „Kalttest“ einer Brennkraftmaschine, am Ende des Montageprozesses. Über einen Akustiksensor, der ein Signal an eine Steuereinheit führt, kann durch einen Einstellaktuator das jeweils optimale Verdrehflankenspiel eingestellt werden. Ein zuvor ermitteltes, fix vorgegebenes Verdrehflankenspiel kann jedoch ebenso am Ende der Grundmotormontage eingestellt werden. Ebenso vorstellbar ist es, über einen an der Brennkraftmaschine angebrachten Aktuator während des Betriebs der Brennkraftmaschine das Verdrehflankenspiel zu verändern.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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So sind gemäß Patentanspruch 2 bevorzugt das Maschinengehäuse aus einem Aluminiumwerkstoff und der Exzenter aus einem Magnesiumwerkstoff. So ergibt sich beispielsweise für einen Innendurchmesser von 30 mm des Exzenters ein Montagespalt bei 20°C zu ungefähr 20 µm, bei einer Temperatur von 100°C von etwa 0 µm, wodurch der Exzenter fest verankert in dem Maschinengehäuse ist. Eine spielbedingte mechanische Funktionsbeeinträchtigung an der Exzenterlagerstelle ist in vorteilhafter Weise ausgeschlossen.
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In Brennkraftmaschinen bei denen beispielsweise Massenausgleichswellen über Zahnräder angetrieben werden und hauptsächlich Aluminiumwerkstoffe zum Einsatz kommen, können Verzahnungsgeräusche über Körperschallpfade übertragen werden. In Verbindung mit einem schlechten Dämpfungsverhalten von Aluminiumwerkstoffen führt diese Situation dann zur Notwendigkeit mit erhöhtem technischem Aufwand die Entstehung von Körperschallanregungen nach Möglichkeit zu vermeiden. Das zuvor beschriebene notwendige Spiel im Bereich der Exzenterlagerung wird genutzt um den Körperschallpfad gem. Patentanspruch 3 über eine hydraulische Druckfluidbeaufschlagung zu unterbrechen. Dadurch entstehen deutliche Akustikvorteile. Die Anforderungen an die Minimierung der Körperschallanregung können in vorteilhafter Weise reduziert werden. Insbesondere in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine kann eine hydraulische Körperschallentkoppelung vorteilhaft sein.
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In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung weist der Exzenter gemäß Patentanspruch 4 und 5 eine Länge zwischen 80 % und 120 % der axialen Länge der ersten Welle auf. Somit ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass der Exzenter alle Lagerstellen der ersten Welle aufnimmt, wodurch eine exakte Parallelverschiebung des Achsabstandes (a) möglich ist.
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In einer weiteren Ausbaustufe der Erfindung kann der Montagespalt gemäß Patentanspruch 6 weiterhin durch Klassierung von Exzenterdurchmesser und Montagebohrung im Maschinengehäuse minimiert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform, insbesondere für Ausgleichswellengetriebe, beträgt die Exzentrizität (e) des Exzenters gemäß Patentanspruch 7 zwischen 0,2 % und 5 %, insbesondere zwischen 0,5 % und 2 % des Achsabstandes (a) der ersten und der zweiten Welle.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles in einer einzigen Figur näher erläutert.
- 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Maschinengehäuse mit einem Lager für eine erste Welle eines Zahnradgetriebes.
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1 zeigt schematisch einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Maschinengehäuse 1 mit einem Lager 2 für eine erste Welle 3 eines Zahnradgetriebes. Hierbei ist ein erstes Zahnrad 4 an die erste Welle 3 angeordnet, das kämmend mit einem zweiten, an eine zweite Welle 5 angeordneten Zahnrads 6 in Wirkverbindung steht. Die erste Welle 3 ist drehbar in dem Lager 2 gelagert, wobei zur Veränderung eines Achsabstandes (a) der ersten und der zweiten Welle 3, 5 ein Exzenter 7 vorgesehen ist, in dem die erste Welle 3 drehbar gelagert ist.
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Erfindungsgemäß ist der Exzenter 7 mit der ersten Welle 3 in dem Lager 2 angeordnet, wobei das Maschinengehäuse 1 einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) aufweist als der Exzenter 7. Der Ausdehnungskoeffizient oder auch Wärmeausdehnungskoeffizient genannt, ist in der Physik ein Kennwert, der das Verhalten eines Stoffes bezüglich Veränderungen seiner Abmessungen bei Temperaturveränderungen beschreibt. Die Wärmeausdehnung ist der hierfür verantwortliche Effekt. Die Wärmeausdehnung ist abhängig von dem eingesetzten Stoff. Somit handelt es sich um eine stoffspezifische Materialkonstante.
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Ein guter Kompromiss zwischen minimalem Montagespalt 8 und Gewicht des Maschinengehäuses ergibt sich beispielsweise, wenn das Maschinengehäuse 1 aus einem Aluminiumwerkstoff und der Exzenter 7 aus einem Magnesiumwerkstoff ist. In diesem Fall beträgt der Montagespalt 8 für einen Exzenterdurchmesser von 30 mm bevorzugt bei 20°C ca. 20 µm und bei 100°C ungefähr 0 µm, was bei betriebswarmem Zustand ein Nullspiel zur Folge hat. Eine Veränderung des Verdrehflankenspiels zwischen den Zahnrädern 4, 6 ist somit sicher vermieden. Der Kraftfluss im Bereich der Lagerstelle ist sichergestellt.
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Eine weitere akustische Verbesserung besteht darin, dass der Montagespalt 8 zwischen dem Maschinengehäuse 1 und dem Exzenter 7 mit einem Druckfluid, insbesondere einem Drucköl, beispielsweise einem Schmiermittel des Maschinengehäuses 1, beaufschlagbar ist. Zur Versorgung des Montagespalts 8 mit Druckfluid ist beispielsweise im Maschinengehäuse 1 eine Bohrung 10 vorgesehen. Um ein axiales Wegfließen des Druckfluids im Montagespalt 8 zu verhindern, kann beispielsweise einseitig oder auch beidseitig einer jeden Bohrung 10 ein radial umlaufendes, zwischen dem Exzenter 7 und dem Maschinengehäuse 1 angeordnetes Dichtelement 11 zwischen vorgesehen werden.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Exzenter 7 eine Länge zwischen 80 % und 120 % einer axialen Länge der ersten Welle 3 auf. Somit ist es möglich, dass der Exzenter 7 alle Lagerstellen 9 der ersten Welle 3 aufnimmt. Durch diese Ausgestaltung ist eine exakte Parallelverschiebung der ersten Welle 3 und der zweiten Welle 5 zur Variation des Achsabstands (a) möglich, ein Verkanten oder Verkippen einer der beiden Wellen 3, 5 ist sicher ausgeschlossen.
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Eine weitere Systemoptimierung ist dadurch möglich, dass der Montagespalt 8 durch eine Klassierung minimiert ist. Eine Klassierung der betroffenen Durchmesser ist somit wesentlich einfacher als eine Klassierung einzelner Zahnräder.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, insbesondere für den Antrieb eines Ausgleichswellengetriebes, beträgt die Exzentrizität (e) des Exzenters 7 zwischen 0,2 % und 5 %, insbesondere zwischen 0,5 % und 2 % des Achsabstandes (a) der ersten und der zweiten Welle 3, 5. Somit lässt sich ein Achsabstand (a) beispielsweise von 0 bis 450 µm variieren bei einem Verdrehwinkel des Exzenters 7 zwischen 0° und 45°.
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Für Konstruktionskonzepte, bei denen die antreibende und die angetriebene Welle 3, 5 bevorzugt in einem gemeinsamen Maschinengehäuse 1 gelagert sind, ist jetzt die Möglichkeit der Einstellbarkeit des Verdrehflankenspiels gegeben, aufwendige Klassierungsmaßnahmen der Zahnräder oder der Einsatz von verspannten Zahnrädern sind nicht erforderlich. Auch für mehrteilige Maschinengehäuse ist diese Einstellmöglichkeit jederzeit anwendbar, komplizierte und teure Vermessungen der Geometrie und der Einsatz von Distanzscheiben sind nicht erforderlich.
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Das erfindungsgemäße Konstruktionskonzept ermöglicht zusätzlich die Einstellung des Verdrehflankenspiels beispielsweise bei einem „Kalttest“ der Brennkraftmaschine, am Ende des Montageprozesses. Über einen Akustiksensor, der ein Signal an eine Steuereinheit führt, kann durch einen Einstellaktuator das jeweils optimale Verdrehflankenspiel eingestellt werden. Ein zuvor ermitteltes, fix vorgegebenes Verdrehflankenspiel kann jedoch ebenso am Ende der Grundmotormontage eingestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Maschinengehäuse
- 2.
- Lager
- 3.
- erste Welle
- 4.
- erstes Zahnrad
- 5.
- zweite Welle
- 6.
- zweites Zahnrad
- 7.
- Exzenter
- 8.
- Montagespalt
- 9.
- Lagerstelle
- 10.
- Bohrung für Druckfluid
- 11.
- Dichtelement
- a
- Achsabstand
- e
- Exzentrizität
- α
- Wärmeausdehnungskoeffizient
