DE102016210480A1

DE102016210480A1 - Verfahren zur Herstellung einer Massenausgleichswelle und danach hergestellte Massenausgleichswelle

Info

Publication number: DE102016210480A1
Application number: DE102016210480.2A
Authority: DE
Inventors: Christian Schroecker
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2018-01-04
Anticipated expiration: 2036-07-01
Also published as: DE102016210480B4

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Massenausgleichswelle für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine, mit einem Massenausgleichsgewicht und zumindest zwei Lagerabschnitten, die von Lagerringen gebildet sind und einen ersten Innendurchmesser D1 aufweisen, wobei das Massenausgleichsgewicht radial außen umlaufende Vertiefungen aufweist, in die die Lagerringe einbringbar sind, wobei ein Endabschnitt des Massenausgleichsgewichtes bis zu einem Lagerabschnitt einen kleineren Außenumfang D2 aufweist als der Innendurchmesser D1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrenschritte: – Überschieben des Lagerringes über den Endabschnitt bis zu dem Lagerabschnitt und – Lagefixieren des Lagerringes in dem Lagerabschnitt. Durch das erfindungsgemäße Herstellverfahren und die erfindungsgemäße Ausgestaltung werden ein großes Gewichtspotential ausgeschöpft und die Fertigungskosten der Massenausgleichswelle drastisch reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Massenausgleichswelle mit den Merkmalen aus dem Patentanspruch 1 sowie eine danach hergestellte Massenausgleichswelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5.
Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2004 011 820 A1 hingewiesen. Aus dieser Offenlegungsschrift ist eine Massenausgleichswelle für eine Brennkraftmaschine mit folgenden Merkmalen bekannt:

– Lagerabschnitte, an denen Gleitlager angeordnet sind,
– Gewichtsabschnitte, an denen Gegengewichte angeordnet sind,
– Eine Längsbohrung in ungefähr axialer Richtung durch die Lagerabschnitte und Gewichtsabschnitte zur Versorgung der Gleitlager in den Lagerabschnitten mit Schmierflüssigkeit,
– Die Längsbohrung ist exzentrisch zur Drehachse der Massenausgleichswelle angeordnet und
– Die Mitte der Längsbohrung ist in Richtung der Gegengewichte versetzt angeordnet.

Mit dieser bekannten Massenausgleichswelle wird eine leichtere Massenausgleichswelle dargestellt, die bei gleichen erzeugten Massenkräften und -momenten leichter ist, ohne an Steifigkeit zu verlieren.
Eine weitere gattungsgemäße Massenausgleichswelle ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2013 200 237 A1 bekannt. In dieser Offenlegungsschrift wird eine mehrteilige Massenausgleichswelle für eine Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, die in einem Gehäuse gelagert ist, wobei der Wellenkörper aus mindestens zwei Blechformlagen besteht und in mindestens zwei Blechformlagen einen Hohlraum für die Aufnahme mindestens eines Gewichtes bildet.
Auch mit dieser bekannten Massenausgleichswelle ist noch nicht die maximal mögliche Masseneinsparung dargestellt.
Aus der japanischen Offenlegungsschrift JP 2000-186746 A ist eine weitere Massenausgleichswelle bekannt, bei der die Massenausgleichsgewichte sowie die Lagerabschnitte in eine längsgeschlitzte Hohlwelle einbringbar sind.
Weiter ist aus der Internationalen Patentanmeldung mit der Internationalen Veröffentlichungsnummer WO 2006/072118 A1 eine Ausgleichswelleneinheit für Verbrennungskraftmaschinen bekannt, für den Einbau in ein Gehäuse mit nicht geteilten Lagersätzen, wobei mindestens eine Ausgleichswelle mit ihrem mindestens einem Ausgleichsgewicht einstückig ist. Die Ausgleichswelleneinheit ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lagerung der Ausgleichswelle von einer Einschnürung der Ausgleichswelle als Lagerzapfen und von einem gehäusefesten geteilten Lagerring gebildet ist, dessen Außendurchmesser größer als der Außendurchmesser des Ausgleichsgewichts ist.
Nachteilig an dieser bekannten Ausgleichswelleneinheit ist die relativ aufwendige Montage.
Massenausgleichswellen werden im Allgemeinen, mit wenigen Ausnahmen, aus einem Stück gefertigt. Vor allem bei wälzgelagerten Massenausgleichswellen werden diese aus einem wälzlagerfähigen Stahl geschmiedet. Zur Gewichtserleichterung gibt es beispielsweise Patentanmeldungen und Patente, welche im unbelasteten Bereich der Lagerung Material einsparen.
Durch die Fertigung aus einem Stück sind die Gewichtspotenziale zur Massenverringerung der Massenausgleichswelle nicht vollständig auszuschöpfen. Die Verwendung hochwertiger, kostenintensiver Wälzlagerstähle ist für die gesamte Massenausgleichswelle notwendig. Die üblichen Fertigungsverfahren für Massenausgleichswellen beschränken sich weitgehend auf Schmiederohbauteile.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Massenausgleichswelle darzustellen, die kostengünstig in der Herstellung ist, wobei gleichzeitig das maximale Masseneinsparpotenzial ausgeschöpft ist.
Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig durch die Merkmale im Patentanspruch 1 und hardwaremäßig durch die Merkmale im Patentanspruch 5 gelöst.
Der erfindungsgemäße Vorschlag ist, die Massenausgleichswelle aus mehreren Komponenten zusammen zu bauen, wobei der Materialeinsatz im Wesentlichen auf die Ausgleichsgewichte reduziert ist. In die Ausgleichsgewichte sind radial außenumlaufend Vertiefungen (Fertigung durch Drehen und/oder Fräsen und/oder Schleifen, usw.) eingebracht, die zur Aufnahme der Lagerwände dienen, welche eingefädelt und lagefixiert werden. Die Lagerringe werden von dem Massenausgleichsgewicht sowohl axial als auch radial lagefixiert. Damit die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte durchführbar sind, weisen die Endabschnitte des Massenausgleichsgewichts jeweils bis zu einem Lagerabschnitt einen kleineren Außenumfang D2 auf als der Innendurchmesser D1 eines Lagerrings. Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung einer Massenausgleichswelle durch folgende Verfahrensschritte:

– Überschieben des Lagerrings über den Endabschnitt bis zu dem Lagerabschnitt und
– Lagefixieren des Lagerrings in dem Lagerabschnitt.

Gemäß Patentanspruch 2 kann das lagefixieren durch reinen Formschluss erfolgen.
Darüber hinaus kann das Lagefixieren gemäß Patentanspruch 3 auch durch Löten oder durch Schweißen oder durch Kleben erfolgen.
Eine besonders kostengünstige Variante ist eine Lagefixierung gemäß Patentanspruch 4 dadurch erzielt, dass die Lagefixierung durch ein vorgespanntes elastisches Element zwischen dem Lagerring und dem Massenausgleichsgewicht erfolgt.
Eine weitere Massenreduzierung wird bei einer Massenausgleichswelle gemäß Patentanspruch 5 dadurch erzielt, dass sich die Lagerringe zu zumindest 180° radial außen um das Massenausgleichsgewicht erstrecken, d. h. dass der nichttragende Anteil des Lagerrings eingespart werden kann.
Zum Erreichen von funktional benötigter Steifigkeit können, gemäß Patentanspruch 6, auch Rippen bevorzugt Längsrippen am Massenausgleichsgewicht angeordnet sein. Hierfür können aus Gewichtsgründen auch leichtere Werkstoffe, wie beispielsweise Aluminium, Faserverbundwerkstoffe (CFK, GFK), usw., verwendet werden, was ein zusätzliches Gewichtseinsparungspotenzial bietet.
Bevorzugt sind die Lagerringe gemäß Patentanspruch 7 aus Lagerstahl, wie z. B. 100 Cr6.
Die Fertigungsverfahren des Massenausgleichsgewichts gemäß Patentanspruch 8 beschränkt sich somit nicht nur auf das bekannte Schmieden, sondern ermöglichen ein breites Feld an Herstellungsverfahren wie Gießen und Sintern.
Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Massenausgleichswelle gemäß Patentanspruch 10 für jede beliebige Hubkolbenbrennkraftmaschine vorgesehen werden, bevorzugt wird sie in drei- oder vierzylindrigen Hubkolbenbrennkraftmaschinen vorgesehen.
Insgesamt ergeben sich somit durch die erfindungsgemäße Herstellung und Ausgestaltung der Massenausgleichswelle folgende Vorteile:

– Maximale Ausnutzung des Gewichtseinsparpotenzials,
– Es ist die Verwendung preisgünstiger, handelsüblicher Lagerringe möglich,
– Es sind die Verwendung und der Einsatz günstigerer Werkstoffe für das Massenausgleichsgewicht möglich und dies unabhängig vom Fertigungsverfahren (Schmieden, Gießen, usw.),
– Eine aufwendige Bearbeitung der Lagerlaufbahn auf der Ausgleichswelle kann eingespart werden (Härten, Schleifen, Finishen),
– Es ist die Verwendung leichter Materialien zur Funktionserreichung wie z. B. von Rippen, bevorzugt Längsrippen, für die Steifigkeit möglich.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand von drei Ausführungsbeispielen in fünf Figuren näher erläutert.
1 zeigt eine dreidimensionale Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Massenausgleichswelle zur Verdeutlichung des Herstellverfahrens.
2 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Massenausgleichswelle.
3a zeigt ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel.
3b zeigt ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel.
4 zeigt eine besonders bevorzugte Möglichkeit zur Lagefixierung eines Lagerrings an einem Massenausgleichsgewicht.
1 zeigt eine dreidimensionale Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Massenausgleichswelle 1 zur Verdeutlichung des Herstellverfahrens. Die Massenausgleichswelle 1 ist für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine vorgesehen, mit einem Massenausgleichsgewicht 2 mit zwei Lagerabschnitten 4, 4', die von Lagerringen 3, 3' gebildet sind und einen ersten Innendurchmesser D1 (dargestellt in 2) aufweisen. Das Massenausgleichsgewicht 2 weist zwei radial außen umlaufende, nicht bezifferte Vertiefungen auf, in die die Lagerringe 3, 3' einbringbar sind. Die radial umlaufenden Vertiefungen bilden mit den Lagerringen 3, 3' die Lagerabschnitte 4, 4'. Endabschnitte 5, 5' des Massenausgleichsgewichts 2 weisen bis zu den radial außen umlaufenden Vertiefungen einen kleineren Außenumfang D2 (dargestellt in 2) auf, als der Innendurchmesser D1. Das Verfahren zur Herstellung der Massenausgleichswelle 1 ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

– Überschieben der Lagerringe 3, 3' über die Endabschnitte 5, 5' bis zu dem Lagerabschnitt 4, 4' und
– Lagefixieren der Lagerringe 3, 3' in den Lagerabschnitten 4, 4'.

Die Lagerringe 3, 3' sind vor dem Fügen groß dargestellt, der Fügevorgang ist jeweils durch einen Pfeil symbolisch dargestellt ist. In der lagefixierten Stellung in den radial außen umlaufenden Vertiefungen sind die Lagerringe 3, 3' klein dargestellt und bilden somit jeweils einen Lagerabschnitt 4, 4'.
In einem ersten Ausführungsbeispiel kann die Lagefixierung der Lagerringe 3, 3' durch reinen Formschluss erfolgen. Auch ist eine Lagefixierung durch Verlöten oder Verschweißen oder Verkleben der Lagerringe 3, 3' am Massenausgleichsgewicht 2 möglich. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante kann das Lagefixieren durch ein vorgespanntes elastisches Element 6 (dargestellt in 4, zwischen dem Lagerring 3, 3' und dem Massenausgleichsgewicht 2) erfolgen.
Weiter weist das Massenausgleichsgewicht 2 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine sich in axialer Richtung erstreckende Versteifungsstrebe 7 auf. Die Versteifungsstrebe 7 kann beispielsweise aus einem Leichtmetall oder einem Faserverbundwerkstoff, wie CFK (kohlefaserverstärkter Kunststoff) oder GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff) bestehen.
Als Lagerung der Massenausgleichswelle kann sowohl ein Wälzlager als auch ein Gleitlager vorgesehen werden.
Bevorzugt sind die Lagerringe 3, 3' aus einem Lagerstahl gefertigt. Weiter ist das Massenausgleichsgewicht 2 durch Gießen oder Sintern oder Schmieden herstellbar.
2 zeigt einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Massenausgleichswelle 2 im Bereich eines Lagerabschnitts 4, 4'. An das Massenausgleichsgewicht 2 sind eine Versteifungsstrebe 7 und ein Lagerring 3 angeordnet. Ein Innendurchmesser des Lagerrings ist mit D1 beziffert, die Endabschnitte 5, 5' des Massenausgleichsgewichts 2 weisen bis zu den Lagerabschnitten 4, 4' gegenüber dem Innendurchmesser D1 einen kleineren Außenumfang D2 auf.
Darüber hinaus ist ein Hüllkreis gestrichelt dargestellt. Der Hüllkreis beschreibt den Raum, den die Massenausgleichswelle 1 bei einer Drehung benötigt. Es liegt eine optimale Ausnutzung des Massenausgleichsgewichtes vor, wenn der Bereich, über den der Lagerring geschoben wird, im Bereich der Unwuchtmasse die Kontur des Hüllkreises aufweist. Der Hüllkreis ist der maximal mögliche Durchmesser zum Fügen der Massenausgleichswelle in die Außendurchmesser der Lager.
3a zeigt eine dreidimensionale Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Massenausgleichswelle 1 für ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Lagerringe 3, 3' nicht um 360° um das Massenausgleichsgewicht 2, sondern ca. 270° und sind nochmals gewichtsreduziert, d. h. dass in nicht belasteten Bereichen des Lagerrings 3, 3' kein nicht benötigtes Material vorliegt.
Dem gegenüber zeigt 3b das gleiche Massenausgleichsgewicht 2 wie 3a, jedoch mit Lagerringen 3, 3', die sich um 360° um das Massenausgleichsgewicht 2 erstrecken.
4 zeigt eine besonders bevorzugte Möglichkeit der Lagefixierung der Lagerringe 3, 3' an dem Massenausgleichsgewicht 2 durch ein vorgespanntes, elastisches Element 6. Dargestellt ist wiederum eine dreidimensionale Aufsicht auf die erfindungsgemäße Massenausgleichswelle 1 mit zwei lagefixierten Lagerringen 3, 3' durch jeweils ein vorgespanntes elastisches Element 6.
Das elastische Element 6 ist rechts oberhalb der Massenausgleichswelle 1 ebenfalls dreidimensional als separates Bauteil vergrößert dargestellt. Unterhalb der Massenausgleichswelle 1 ist ein Schnitt durch eine Lagestelle 4, 4' der Massenausgleichswelle 1 dargestellt. Aus dieser Schnittdarstellung ist ersichtlich, wie das elastische Element 6 auf der Versteifungsstrebe 7 abgestützt ist und den Lagerring 3 auf dem Massenausgleichsgewicht 2 unter Vorspannung lagefixiert.
Zusammenfassung der Erfindung:
Der erfindungsgemäße Vorschlag ist, die Massenausgleichswelle 1 aus mehreren Komponenten zusammen zu bauen wobei im Wesentlichen der Materialeinsatz auf das Massenausgleichsgewicht 2 reduziert ist. Die Lagerringe 3, 3' sind in radial außen umlaufend in Vertiefungen eingebracht, welche erfindungsgemäß eingefädelt werden. Die Lagerringe 3, 3' werden axial und radial von dem Ausgleichsgewicht 2 lagefixiert. Die Lagerringe 3, 3' erstrecken sich zu mindestens 180° über den Umfang des Ausgleichsgewichts 2.
Eine Verbindung des Ausgleichsgewichts 2 mit den Lagerringen 3, 3' ist durch Formschluss, Fügen, Löten, Schweißen oder Kleben möglich. Eine spezielle Art des Formschlusses ist die Verbindung der Lagerringe 3, 3' mit dem Massenausgleichsgewicht 2 durch einen Clip, dargestellt durch das elastische Element 6, welcher die Lagerringe 3, 3' zum Massenausgleichsgewicht 2 in Position hält und fixiert (siehe. 4).
Das Massenausgleichsgewicht 2 kann somit aus einem Material, welches nicht wälzlagerfähig sein muss, hergestellt werden. Somit ist eine breite Werkstoffpalette gegeben, die sich nicht nur auf Stahl begrenzt. Aus Funktionssicht des Massenausgleichsgewichts 2 ist es anzustreben, einen Werkstoff mit möglichst hoher Dichte zu wählen.
Zum Erreichen einer funktional bedingten Steifigkeit können falls nötig, z. B. auch Versteifungsstreben 7 am Ausgleichsgewicht 2 angebracht werden. Hierfür können auch leichtere Werkstoffe wie Aluminium, CFK etc., als die für das Massenausgleichsgewicht 2 eingesetzt werden, was zusätzliches Gewichtspotenzial bietet.
Das Fertigungsverfahren des Massenausgleichsgewichts 2 beschränkt sich somit nicht nur auf Schmieden von Wälzlagerstahl, sondern ermöglicht ein breites Feld: Guss, Sintern, mechanisch gefertigt, Umformung.
Die Lagerringe 3, 3' sind handelsüblich, welche vorwiegend aus Lagerstahl wie z. B. 100 Cr6 sind.
Bezugszeichenliste

1: Massenausgleichswelle
2: Massenausgleichsgewicht
3, 3': Lagerring
4, 4': Lagerabschnitt
5, 5': Endabschnitt
6: elastisches Element
7: Versteifungsstrebe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004011820 A1 [0002]
DE 102013200237 A1 [0004]
JP 2000-186746 A [0006]
WO 2006/072118 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Massenausgleichswelle (1) für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine, mit einem Massenausgleichsgewicht (2) und zumindest zwei Lagerabschnitten (4, 4'), die von Lagerringen (3, 3') gebildet sind und einen ersten Innendurchmesser D1 aufweisen, wobei das Massenausgleichsgewicht (2) radial außen umlaufende Vertiefungen (4) aufweist, in die die Lagerringe (3, 3') einbringbar sind, wobei ein Endabschnitt (5, 5') des Massenausgleichsgewichtes (2) bis zu einem Lagerabschnitt (4, 4') einen kleineren Außenumfang D2 aufweist als der Innendurchmesser D1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrenschritte: – Überschieben des Lagerringes (3, 3') über den Endabschnitt (5, 5') bis zu dem Lagerabschnitt (4, 4') und – Lagefixieren des Lagerringes (3, 3') in dem Lagerabschnitt (4, 4').
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagefixieren des Lagerringes (3, 3') durch Formschluss erfolgt.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagefixieren des Lagerringes (3, 3') durch Löten oder Schweißen oder Kleben erfolgt.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagefixieren des Lagerringes (3, 3') durch ein vorgespanntes elastisches Element (6) zwischen dem Lagerring (3, 3') und dem Massenausgleichsgewicht (2) erfolgt.
Massenausgleichswelle nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Lagerringe (3, 3') zu zumindest 180° radial außen um das Massenausgleichsgewicht (2) erstrecken.
Massenausgleichswelle nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Massenausgleichsgewicht (2) in axialer Richtung eine Versteifungsstrebe (7) aufweist.
Massenausgleichswelle nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerringe (3, 3') aus einem Lagerstahl sind.
Massenausgleichswelle nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Massenausgleichsgewicht (2) durch Gießen oder Sintern oder Schmieden herstellbar ist.
Massenausgleichswelle nach einem der Patentansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstrebe (7) aus einem Leichtmetall oder einem Faserverbundwerkstoff ist.
Massenausgleichswelle nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichswelle (1) für eine Brei- oder eine vierzylindrige Brennkraftmaschine vorgesehen ist.