DE102016112907A1

DE102016112907A1 - Geberrad für einen Motor

Info

Publication number: DE102016112907A1
Application number: DE102016112907.0A
Authority: DE
Inventors: Duncan Scholtes
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-07-15
Filing date: 2016-07-13
Publication date: 2017-01-19
Also published as: GB2534249B; RU2719777C2; US10253689B2; CN106351742A; MX2016009196A; RU2016126548A3; GB2534249A; GB201512333D0; CN106351742B; US20170016394A1; RU2016126548A

Abstract

Es wird ein Geberrad 20 für einen Motor offenbart, das einen mittleren kreisförmigen Abschnitt 21 und einen zylindrischen Umrandungsabschnitt 24, der eine Anzahl an Geberradzähnen 26 definiert, aufweist. Der mittlere kreisförmige Abschnitt und der zylindrische Umrandungsabschnitt 21 und 24 sind aus einem einzigen Metallstück gepresst. Eine Anzahl an Ausgleichsöffnungen 23 sind in dem mittleren kreisförmigen Abschnitt 21 ausgebildet, um ein Massenzentrum des Geberrads 20 von einer Drehachse weg zu bewegen. Das Geberrad 20 für einen Motor stellt, wenn es an einem Ende einer Kurbelwelle 10 eines Motors 1 befestigt ist, eine Angabe der Winkelposition der Kurbelwelle 20 und eine Gegengewichtsfunktion bereit.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hubkolbenmotor mit einer Kurbelwelle und insbesondere auf ein Geberrad bzw. Impulsgeberrad (engl. trigger wheel) für solch einen Motor zur Bereitstellung einer Angabe der Drehstellung der Kurbelwelle des Motors.
Die Befestigung eines scheibenförmigen Geberrads mit einer Anzahl an Umfangszähnen an einer Kurbelwelle eines Motors ist allseits bekannt. Solch ein Geberrad muss zur Erzeugung eines zuverlässigen Signals ausreichend breit sein.
Herkömmlicherweise wird ein Sensor sehr nah am Geberrad zur Erfassung des Vorbeiziehens jedes Zahns, die durch ein zugehöriges Motormanagementsystem zur Bereitstellung einer Angabe der Drehstellung der Kurbelwelle verwendet wird, befestigt.
Normalerweise wird solch ein Geberrad an einer Stelle, die sich außerhalb eines Zylinderblocks des Motors befindet, an der Kurbelwelle befestigt. Solch eine Anordnung weist den Nachteil auf, dass die Einbaugröße des Motors insgesamt erhöht wird, was bei vielen gegenwärtigen Fahrzeugen problematisch ist.
Es gibt einen steigenden Bedarf für die Produktion kleinerer Motoren, insbesondere für Stadtfahrzeuge und Hybridfahrzeuge, bei denen der zur Verfügung stehende Einbauraum für den Motor begrenzt ist.
Darüber hinaus stellt ein Frontmotor im Zusammenhang mit einem Frontalzusammenstoß eine harte Stelle dar, und somit ist es wünschenswert, den Motor so klein wie möglich zu halten. Somit ist jegliche Anordnung, durch die die Größe und insbesondere die Länge eines Motors auf ein Minimum reduziert werden kann, vorteilhaft.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Geberrad für einen Motor bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Geberrad für einen Motor bereitgestellt, das aus einem einzigen Stück Stahl gestanzt ist und einen mittleren kreisförmigen Abschnitt und einen zylindrischen Umrandungsabschnitt, der um einen Außenumfang des mittleren kreisförmigen Abschnitts herum angeordnet ist, umfasst, wobei der zylindrische Umrandungsabschnitt mehrere umfangsmäßig voneinander beabstandete Geberradzähne aufweist und der mittlere kreisförmige Abschnitt mindestens eine darin ausgebildete Öffnung, um ein Massenzentrum des Geberrads von einer Drehachse des Geberrads weg zu bewegen, aufweist, wobei es eine Anzahl an umfangsmäßig beabstandeten Öffnungen in dem zylindrischen Umrandungsabschnitt gibt und jeder der Geberradzähne durch einen Steg zwischen zwei benachbarten Öffnungen gebildet wird.
Jeder Geberradzahn kann sich im Wesentlichen parallel zu einer Achse, um die sich das Geberrad im Gebrauch dreht, erstrecken.
Der mittlere kreisförmige Abschnitt kann eine Anzahl an umfangsmäßig beabstandeten Fixierungslöchern definieren, die zum Befestigen des Geberrads an einer Kurbelwelle eines Motors verwendet werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Motor bereitgestellt, der eine in einem Zylinderblock des Motors positionierte Kurbelwelle aufweist, wobei die Kurbelwelle eine Anzahl an Gegengewichten zum Bereitstellen einer dynamischen Auswuchtung der Kurbelwelle im Gebrauch aufweist, die ein sehr nahe einer Endwand des Zylinderblocks positioniertes Endgegengewicht umfasst, wobei das Endgegengewicht eine darin ausgebildete Vertiefung aufweist, in der ein gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung konstruiertes Geberrad für einen Motor befestigt ist, wobei das Geberrad in einem Winkel angeordnet ist und eine Unwuchtmasse aufweist, die dafür ausreichend ist, die Unwuchtwirkung des aufgrund der Vertiefung aus dem Endgegengewicht verlorengegangenen Materials auszugleichen, und sich der zylindrische Umrandungsabschnitt des Geberrads von der einen Endwand des Zylinderblocks weg erstreckt.
Das Geberrad kann eine Anzahl an umfangsmäßig beabstandeten Ausgleichsöffnungen aufweisen, und die Dimensionierung, Beabstandung und Positionierung der Ausgleichsöffnungen in dem Geberrad kann dahingehend ausgeführt sein, das aufgrund der Vertiefung aus dem Endgegengewicht verlorengegangene Material auszugleichen.
Die Tiefe der Vertiefung in dem Endgegengewicht kann der Dicke des mittleren kreisförmigen Abschnitts des Geberrads im Wesentlichen entsprechen.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beispielhaft beschrieben, in denen:
1 eine schematische Seitenansicht eines gemäß der Erfindung konstruierten Dreizylindermotors ist;
2a ein Ausschnitt eines Querschnitts durch einen Endabschnitt eines Motors ist, der die Anordnung von Gegengewichten der Kurbelwelle bezüglich einer Endwand eines Zylinderblocks des Motors zeigt;
2b ein Ausschnitt einer Ansicht des in 2a gezeigten Teils des Motors ist, der zeigt, wie die Befestigung eines herkömmlichen scheibenförmigen Geberrads am Gegengewicht einen Konfliktzustand mit der Endwand des Zylinderblocks erzeugt;
3a eine Endansicht eines Geberrads gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist;
3b eine Seitenansicht des in 3a gezeigten Geberrads ist;
4 eine bildliche Darstellung des in 3a und 3b gezeigten Geberrads ist;
5 eine umgekehrte bildliche Ansicht des in 4 gezeigten Geberrads ist, die das an einem Ende einer Kurbelwelle des Motors befestigte Geberrad und die Positionierung eines zugehörigen Sensors zeigt;
6 ein Ausschnitt eines Schnitts durch ein Ende der Kurbelwelle und eine Endwand des Motors ist, der die Positionierung des Geberrads auf der Kurbelwelle zeigt;
7 eine Ansicht in Richtung des Pfeils `F´ in 6 ist, die das Geberrad in Position auf der Kurbelwelle zeigt;
8 eine Querschnittsteilansicht in Richtung des Pfeils `R´ in 6 ist, die das Geberrad auf der Kurbelwelle zeigt; und
9 eine transparente bildliche Ansicht eines Endes des Zylinderblocks des Motors ist, die die Positionierung des Geberrads und des zugehörigen Sensors zeigt.
Mit Bezug auf 1 wird ein Dreizylindermotor 1 gezeigt, der einen Zylinderkopf 2, einen Zylinderblock 3 und eine Ölwanne 4 aufweist. Der Zylinderblock 3 stützt drehbar eine Kurbelwelle 10, die an einem Ende einen Schwungradflansch 12 aufweist, der zur Befestigung eines Schwungrads (in 1 nicht gezeigt) an der Kurbelwelle 10 verwendet wird. Die Gesamtlänge `L´ des Zylinderblocks 3 wird so kurz wie möglich gehalten, um das Packaging des Motors 1 in einem Kraftfahrzeug zu verbessern.
Mit Bezug auf 2a wird in einem größeren Maßstab ein Endabschnitt des Zylinderblocks 3 in dem Bereich des Schwungradflanschs 12 gezeigt, wobei in einem gestrichelten Umriss ein an dem Schwungradflansch 12 befestigtes Schwungrad 8 gezeigt wird.
Der Zylinderblock 3 weist eine Anzahl an Innenwänden 3w auf und wird an jedem Ende durch eine Endwand 3e begrenzt. Die Wände 3w, 3e des Zylinderblocks 3 sind dahingehend angeordnet, eine Anzahl an Lagern 15 zu stützen, die dazu verwendet werden, über Hauptlagerzapfen 13, 13e die Kurbelwelle 10 des Motors 1 zur Drehung um eine Längsachse der Kurbelwelle 10 zu stützen.
Die Kurbelwelle 10 weist des Weiteren drei Pleuelfußlagerzapfen 14 auf, von denen lediglich einer in 2a gezeigt wird.
Wie in der Technik allseits bekannt ist, umfasst die Kurbelwelle 10 eine Anzahl an Gegengewichten, von denen lediglich ein Endgegengewicht 11 in 2a gezeigt wird.
Es versteht sich, dass die Endwand 3e so nahe wie möglich am Gegengewicht 11 positioniert ist, um die Gesamtlänge `L´ des Zylinderblocks 3 minimal zu halten.
Bei solch einer Anordnung wird gewöhnlich ein Geberrad an einem Teil der Kurbelwelle 10 befestigt, der sich nicht im Zylinderblock 3 befindet, was sich in einer Erhöhung der Länge des Motors 1 auswirkt, da das Geberrad und sein zugehöriger Sensor dann außerhalb des Zylinderblocks 3 positioniert sind.
2b ist eine Ansicht, die mit der von 2a identisch ist, mit der Ausnahme, dass sie die Befestigung eines herkömmlichen scheibenförmigen Geberrads `T´ an einer Außenseite des Gegengewichts 11 zeigt. Wie deutlich aus 2b ersichtlich ist, führt dies zu einem Konfliktzustand bezüglich der Endwand 3e des Zylinderblocks 3, der nur überwunden werden kann, wenn die Endwand 3e in der Richtung des Pfeils `H´ in 2b weg bewegt wird. Das Bewegen der Endwand 3e auf diese Art und Weise führt zu einer Erhöhung der Gesamtlänge des Zylinderblocks 3.
Nun wird unter Bezugnahme auf 3–9 ein Geberrad 20 für einen Motor gezeigt, das einen mittleren Scheibenabschnitt 21 und einen zylindrischen Umrandungsumfangsabschnitt 24 aufweist.
Der Scheibenabschnitt 21 weist bei diesem Beispiel neun darin ausgestanzte Ausgleichsöffnungen 23, um ein Massenzentrum des Geberrads 20 von einer Drehachse des Geberrads 20 weg zu bewegen, auf. Eine Anzahl an Fixierungslöchern 29 ist des Weiteren in dem Scheibenabschnitt 21 zur Verwendung beim Sichern des Geberrads 20 an der Kurbelwelle 10 vorgesehen. Jedes der Fixierungslöcher 29 weist eine abgeschrägte Einführung auf.
Der Scheibenabschnitt 21 weist eine mittlere Öffnung 22 auf, die einen Durchmesser aufweist, der ausreichend groß ist, um zu gestatten, dass das Geberrad 20 am Schwungradflansch 12 vorbei montiert wird. Der mittlere Abschnitt 21 ist somit kreisförmig mit einem durch die mittlere Öffnung 22 definierten inneren Rand und einem auf einer Außenfläche des zylindrischen Umrandungsabschnitts 24 ausgerichteten äußeren Umfangsrand.
Der zylindrische Umrandungsabschnitt 24 weist eine Reihe beabstandeter ausgestanzter Öffnungen 25 auf. Geberradzähne 26 werden durch Stege zwischen benachbarten Öffnungen 25 gebildet. Bei diesem Beispiel gibt es sechzig Geberradzähne 26 und zwei fehlende Zähne, die unter Verwendung einer Bezugsöffnung 28 gebildet werden, die umfangsmäßig viel länger als eine der anderen Öffnungen 25 ist.
Der zylindrische Umrandungsabschnitt 24 weist einen Innenradius auf, der ausreichend groß ist, um zu gestatten, dass der zylindrische Umrandungsabschnitt 24 über das Gegengewicht 11 passt, wenn das Geberrad 20 an der Kurbelwelle 10 montiert ist.
Das Geberrad 20 wird aus einem einzigen Stahlstück gebildet, das zur Erzeugung des Scheiben- und des Umrandungsabschnitts 21 und 24 verformt wird. In diesem Fall wird das Geberrad 20 durch einen Stanzprozess gebildet und ist somit ein Stahlstanzgeberrad.
Ein Vorteil des Geberrads 20 besteht darin, dass die Länge jedes Geberradzahns 26 nicht auf die Dicke des zur Herstellung des Geberrads 20 verwendeten Materials beschränkt ist. Jeder Geberradzahn 26 ist viel länger als die Dicke des Scheibenabschnitts 21, da er in dem umgeschlagenen zylindrischen Umrandungsabschnitt 24 des Geberrads 20 ausgebildet ist. Somit kann das Geberrad 20 aus einem relativ dünnen Material, wie z. B. 0,0025 m dickem Stahl, das relativ leicht in die gewünschte Form gebracht werden kann, hergestellt sein, und die Länge jedes Geberradzahns 26 kann 0,01 m betragen.
Somit kann es relativ dünn gehalten werden, da die Dicke des Geberrads 20 seine Leistung in Bezug auf zuverlässige Signalerzeugung nicht beeinträchtigt.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines zylindrischen umgeschlagenen Umrandungsabschnitts 24 besteht darin, dass er eine käfigartige Struktur erzeugt, wodurch die Geberradzähne 26 vor Schäden geschützt werden. Des Weiteren sind die Geberradzähne 26 resistenter gegenüber Biegen als einzelne Zähne mit derselben Abmessung wären, da die Geberradzähne 26 als Teil des zylindrischen Umrandungsabschnitts 24 ausgebildet werden.
Aufgrund der Verschiebung des Massenzentrums des Geberrads 20 gegenüber seiner Drehachse erzeugt eine Drehung des Geberrads 20 eine Unwuchtkraft in einer radial nach außen verlaufenden Richtung auf einem Vektor `V´ (siehe 3a), die sowohl durch das Massenzentrum als auch die Drehachse hindurchführt. In diesem Beispiel ist der Vektor `V´ in einem Winkel θ positioniert, der gemessen von einem oberen der Fixierungslöcher 29 3,414 Radiant (195,6 Grad) beträgt.
Die Stärke und Richtung dieser Unwuchtkraft hängt von der Dicke des zur Herstellung des Geberrads 20 verwendeten Materials, der Positionierung, Größe und Anzahl an Öffnungen 23 und der Drehzahl des Geberrads 20 ab.
Um den Einbau des Geberrads 20 innerhalb der Beschränkungen des Zylinderblocks 3 zu gestatten, ist das Gegengewicht 11 mit einer Vertiefung 11r (6) versehen, in die das Geberrad 20 passt. Die mittlere Öffnung 22 des ringförmigen Scheibenabschnitts 21 des Geberrads 20 ist dahingehend dimensioniert, einen leichten Schiebesitz auf einer sich umfangsmäßig erstreckenden inneren Wand 11w der Vertiefung 11r bereitzustellen, wodurch eine radiale Positionierung des Geberrads 20 auf der Kurbelwelle 10 bereitgestellt wird. Die Tiefe der Vertiefung 11r entspricht im Wesentlichen der Dicke des Materials im Scheibenabschnitt 21 des Geberrads 20. Der Verlust an Material des Gegengewichts 11 aufgrund der Vertiefung 11r und seiner Auswuchtwirkung werden durch die Unwuchtwirkung des Geberrads 20 ausgeglichen, so dass, wenn das Geberrad an der Kurbelwelle 10 befestigt ist, dieselbe Auswuchtwirkung bereitgestellt wird wie in dem Fall, in dem es keine Vertiefung und kein Geberrad 20 gibt.
Das Geberrad 20 wird bei diesem Beispiel unter Verwendung von drei mit einem Gewinde versehenen Befestigungsmitteln 30 an der Kurbelwelle 10 befestigt. Jedes dieser mit einem Gewinde versehenen Befestigungsmittel 30 weist einen zylindrischen Schaftabschnitt zur Zusammenwirkung mit einer Positionierungsgegenbohrung 37 in der Kurbelwelle 10 und einen mit einem Gewinde versehenen Endabschnitt auf. Jedes mit einem Gewinde versehene Befestigungsmittel 30 verläuft durch ein jeweiliges der drei Fixierungslöcher 29 im Scheibenabschnitt 21 des Geberrads 20 zum Eingriff mit einer mit einem Gewinde versehenen Bohrung 31 in der Kurbelwelle 10. Das Geberrad 20 wird so an der Kurbelwelle 10 befestigt, dass sich der zylindrische Umrandungsabschnitt 24 von der benachbarten Endwand 3e des Zylinderblocks 3 weg erstreckt und über dem Gegengewicht 11 liegt.
Somit sind die Größe und Positionierung der Ausgleichsöffnungen 23 in dem Scheibenabschnitt 21 dazu ausgeführt, den Verlust an Auswuchtgewicht vom Gegengewicht 11 auszugleichen. Es versteht sich, dass die Ausgleichsöffnungen 23 in einem Winkel angeordnet sind, so dass das versetzte Massenzentrum des Geberrads 20 so positioniert ist, dass der Materialverlust aus dem Gegengewicht 11 aufgrund der Vertiefung 11r ersetzt wird. Somit ist die Auswuchtwirkung des Gegengewichts 11 und des Geberrads 20 während einer Drehung der Kurbelwelle 10 im Wesentlichen identisch zu der, die durch das Gegengewicht 11 ohne die Vertiefung 11r bereitgestellt wird.
Die Verwendung solch eines Geberrads 20 ermöglicht somit den Einbau des Geberrads 20 innerhalb der Beschränkungen des Zylinderblocks 3 ohne das Erfordernis einer Erhöhung der Länge L des Zylinderblocks 3.
Wie in 5 und 9 gezeigt wird, ist ein Sensor 50, der Teil eines Motorsteuersystems bildet, zur Erfassung des Vorbeiziehens der Geberradzähne 26 bei Gebrauch sehr nahe am zylindrischen Umrandungsabschnitt 24 des Geberrads 20 positioniert.
Somit ist ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung kurz gefasst die Kombination einer Konstruktion eines umgebogenen/Käfig-Geberrads mit gestanzten Auswuchtlöchern, wodurch das Erfordernis einer 100-prozentigen Auswuchtung der Komponente beseitigt wird.
Solch ein Geberrad kann mit minimalem Verlust an zur Verfügung stehendem Gegengewicht (das Rad ist dünn und hält die Masse in derselben Winkelposition wie das Gegengewicht) im Motor verbaut werden.
Die Verwendung einer Konstruktion eines umgebogenen Rads/Käfigs für die Zähne gestattet, dass der zugehörige Sensor weiter vorne im Zylinderblock positioniert ist, ohne ein dickeres Geberrad haben zu müssen. Die Konstruktion eines umgebogenen Rads/Käfigs bildet ein geschlossenes Band, das die Zähne vor Schäden schützt.
Da nur sehr wenig Material aus dem Gegengewicht entfernt werden muss, wird gestattet, dass das Gegengewicht ausreichend dick für das Bohren von Auswuchtlöchern in der Fertigungsstraße ist, wodurch der Takt der Fertigungsstraße und kostengünstige Produktionsverfahren beibehalten werden können.
Ein dünnes Geberrad gestattet des Weiteren, dass die Komponente gestanzt wird.
Ein gestanztes Geberrad ist günstig herzustellen und gestattet eine akkurate Steuerung der Unwucht des Teils ohne eine 100-prozentige Wuchtprüfung.
Für den Fachmann liegt auf der Hand, dass die Erfindung, obgleich sie mit Bezug auf eine oder mehrere Ausführungsformen beispielhaft beschrieben wurde, nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist und dass alternative Ausführungsformen konstruiert werden könnten, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die anhängigen Ansprüche definiert wird, abzuweichen.

Claims

Geberrad für einen Motor, das aus einem einzigen Stück Stahl gestanzt ist und einen mittleren kreisförmigen Abschnitt und einen zylindrischen Umrandungsabschnitt, der um einen Außenumfang des mittleren kreisförmigen Abschnitts herum angeordnet ist, umfasst, wobei der zylindrische Umrandungsabschnitt mehrere umfangsmäßig voneinander beabstandete Geberradzähne aufweist und der mittlere kreisförmige Abschnitt mindestens eine darin ausgebildete Öffnung, um ein Massenzentrum des Geberrads von einer Drehachse des Geberrads weg zu bewegen, aufweist, wobei es eine Anzahl an umfangsmäßig beabstandeten Öffnungen in dem zylindrischen Umrandungsabschnitt gibt und jeder der Geberradzähne durch einen Steg zwischen zwei benachbarten Öffnungen gebildet wird.
Geberrad nach Anspruch 1, wobei sich jeder Geberradzahn im Wesentlichen parallel zu einer Achse, um die sich das Geberrad im Gebrauch dreht, erstreckt.
Geberrad nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der mittlere kreisförmige Abschnitt eine Anzahl an umfangsmäßig beabstandeten Fixierungslöchern definiert, die zum Befestigen des Geberrads an einer Kurbelwelle eines Motors verwendet werden.
Motor, der eine in einem Zylinderblock des Motors positionierte Kurbelwelle aufweist, wobei die Kurbelwelle eine Anzahl an Gegengewichten zum Bereitstellen einer dynamischen Auswuchtung der Kurbelwelle im Gebrauch aufweist, die ein sehr nahe einer Endwand des Zylinderblocks positioniertes Endgegengewicht umfasst, wobei das Endgegengewicht eine darin ausgebildete Vertiefung aufweist, in der ein Geberrad für einen Motor nach einem der Ansprüche 1–3 befestigt ist, wobei das Geberrad in einem Winkel angeordnet ist und eine Unwuchtmasse aufweist, die dafür ausreichend ist, die Unwuchtwirkung des aufgrund der Vertiefung aus dem Endgegengewicht verlorengegangenen Materials auszugleichen, und sich der zylindrische Umrandungsabschnitt des Geberrads von der einen Endwand des Zylinderblocks weg erstreckt.
Motor nach Anspruch 4, wobei das Geberrad eine Anzahl an umfangsmäßig beabstandeten Ausgleichsöffnungen aufweist und die Dimensionierung, Beabstandung und Positionierung der Ausgleichsöffnungen in dem Geberrad dahingehend ausgeführt ist, das aufgrund der Vertiefung aus dem Endgegengewicht verlorengegangene Material auszugleichen.
Motor nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, wobei die Tiefe der Vertiefung in dem Endgegengewicht der Dicke des mittleren kreisförmigen Abschnitts des Geberrads im Wesentlichen entspricht.
Geberrad für einen Motor, im Wesentlichen wie hier mit Bezug auf 1 und 3–9 der beiliegenden Zeichnung beschrieben.
Motor, im Wesentlichen wie hier mit Bezug auf 1 und 3–9 der beiliegenden Zeichnung beschrieben.