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Die Erfindung betrifft eine Ausgleichsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem Wellenelement und mit wenigstens einem, mit dem Wellenelement drehfest verbundenen Nabenelement, welches zur Lagerung des Wellenelements an der Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist.
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Um beim Betrieb von Hubkolbenmotoren auftretende, freie Massenkräfte zu reduzieren, werden Ausgleichswellen eingesetzt, welche in der Regel unmittelbar und mittelbar durch eine Kurbelwelle des Hubkolbenmotors angetrieben werden. Während sich bei Reihensechszylindermotoren die freien Massenkräfte erster und zweiter Ordnung vollständig kompensieren und dementsprechend auf die Verwendung von Ausgleichswellen verzichtet werden kann, werden bei anderen Motorbauarten je nach gewünschter Laufruhe eine oder mehrere Ausgleichswellen eingesetzt. Um die Massenkräfte zweiter Ordnung zu beseitigen kann beispielsweise ein so genannter Lanchester-Ausgleich mit zwei Ausgleichswellen herangezogen werden.
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Aus der
DE 10 2015 223 975 A1 ist eine Ausgleichswelle für eine Brennkraftmaschine bekannt, welche eine Hohlwelle, auf welcher an Lagerstellen Lagerinnenringe platziert sind, umfasst. Die Lagerinnenringe sind dabei auf der Hohlwelle jeweils mit je einer Durchgangsbohrung aufgesetzt und mittels Innenhochdruckumformen der Hohlwelle befestigt. Die Durchgangsbohrungen der Lagerinnenringe sind dabei jeweils exzentrisch an den Lagerinnenringen ausgestaltet.
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Aus der
DE 10 2006 036 851 A1 ist die Fertigung einer Ausgleichswelle für eine Verbrennungskraftmaschine als gefügtes Bauteil bekannt. Die Ausgleichswelle besteht aus einem Wellengrundkörper und getrennt davon gefertigten und axial aufgeschobenen beziehungsweise aufgepressten und axial- sowie drehfest darauf festgelegten Ausgleichsgewichten, deren Lagerung über ein wenigstens einteiliges Element eines Wälzlagers erfolgt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ausgleichsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher die Durchbiegung eines Wellenelements der Ausgleichswellenvorrichtung beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine besonders gering gehalten werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Ausgleichsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung geht von einer Ausgleichsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem Wellenelement und mit wenigstens einem, mit dem Wellenelement drehfest verbundenen Nabenelement, welches zur Lagerung des Wellenelements an der Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist, aus. Durch das Nabenelement kann beispielsweise ein Lagerinnenring ausgebildet sein, über welchen das Wellenelement drehbar an der Verbrennungskraftmaschine gelagert sein kann.
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Um eine Durchbiegung des Wellenelements der Ausgleichswellenvorrichtung beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine besonders gering zu halten, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das wenigstens eine Nabenelement wenigstens einen Unwuchtmassenbereich zum Massenausgleich beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine aufweist. Dies ist von Vorteil, da über den Unwuchtmassenbereich entsprechende Unwuchtmassen unmittelbar an dem Nabenelement vorgesehen sind und damit besonders dicht an einer beispielsweise als Zylinderrollenlagerung, Nadellagerung oder Gleitlagerung ausgebildeten Lagerstelle, an welcher das Nabenelement drehbar an der Verbrennungskraftmaschine abgestützt sein kann, anliegen kann, sobald die Ausgleichsvorrichtung bei dem bestimmungsgemäßen Gebrauch an der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Durch ein derartiges Integrieren des Unwuchtmassenbereichs in das Nabenelement, kann die Durchbiegung des Wellenelements beim Betrieb der Ausgleichsvorrichtung besonders gering gehalten werden, wodurch die Lebensdauer der Zylinderrollen-, Nadel- beziehungsweise Gleitlagerung in vorteilhafter Weise verlängert werden kann. Dadurch, dass das wenigstens eine Nabenelement den wenigstens einen Unwuchtmassenbereich zum Massenausgleich beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine aufweist, ist mit anderen Worten wenigstens eine Unwuchtmasse in das Nabenelemente integriert. Der Unwuchtmassenbereich und das Nabenelement sind also einteilig ausgebildet. Das Nabenelement mit der integrierten Unwuchtmasse fungiert dadurch gleichzeitig als Innenring der Lagerung sowie zum Ausgleich der freien Massenkräfte. Durch die hierdurch bewirkte, besonders geringe Durchbiegung des Wellenelements kann auf eine Verwendung besonders hochwertiger und wärmebehandelter Stähle für das Wellenelements selbst, wie beispielsweise 100Cr6 oder C56E verzichtet werden, wodurch die Ausgleichsvorrichtung insgesamt besonders aufwandsarm bereitgestellt werden kann.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das wenigstens eine Nabenelement einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Nabengrundkörper auf, von welchem der wenigstens eine Unwuchtmassenbereich abragt. Dies ist von Vorteil, da der Nabengrundkörper somit besonders einfach einteilig zusammen mit dem Unwuchtmassenbereich ausgebildet sein kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Wellenelement im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet. Dies ist von Vorteil, da das Wellenelement dementsprechend besonders aufwandsarm hergestellt werden kann. Somit kann darauf verzichtet werden, das Wellenelement mit integrierten Unwuchtmassen zu versehen.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Wellenelement als Hohlwelle ausgebildet, Dies ist von Vorteil, da das als Hohlwelle ausgebildete Wellenelement ein besonders geringes Gewicht aufweist. Vorzugsweise kann das Wellenelement durch das Innenhochdruckumformverfahren umgeformt werden, durch welches in vorteilhafter Weise ein besonders einfaches Fügen des wenigstens einen Nabenelements mit dem als Hohlwelle ausgebildeten Wellenelement ermöglicht ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wellenelement und das wenigstens eine Nabenelement thermisch miteinander gefügt sind oder einen Längspressverband miteinander ausbilden oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Dies ist von Vorteil, da durch thermisches Fügen, durch Ausbilden des Längspressverband oder durch stoffschlüssiges Verbinden eine besonders sichere, drehfeste Verbindung zwischen dem Wellenelement und dem wenigstens einen Nabenelement geschaffen werden kann. Beim thermischen Fügen kann das Nabenelement erhitzt und zusätzlich oder alternativ das Wellenelement gekühlt werden. Des Weiteren kann auch vor dem Fügeprozess an der Fügestelle zwischen dem Nabenelement und dem Wellenelement eine Laserstrukturierung auf dem Nabenelement und zusätzlich oder alternativ auf dem Wellenelement erfolgen. Der Längspressverband kann ausgebildet werden, indem das Wellenelement und das wenigstens eine Nabenelement bei gleicher Temperatur miteinander gefügt werden. Auch hierbei ist es möglich, vor dem Fügeprozess an der Fügestelle zwischen dem Nabenelement und dem Wellenelement eine Laserstrukturierung auf dem Nabenelement und zusätzlich oder alternativ auf dem Wellenelement anzubringen.
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Um das Wellenelement und das wenigstens eine Nabenelement stoffschlüssig miteinander zu verbinden, können das Wellenelement und das wenigstens eine Nabenelement gelötet, geklebt, oder geschweißt werden. Um eine zuverlässige Schweißverbindung selbst bei hohem Kohlenstoffgehalt eines Nabenelementwerkstoffs des Nabenelements zu schaffen, kann das Nabenelement vor dem Schweißen vorgewärmt und/oder nachgewärmt werden, wobei ein Härten des Nabenelements beispielsweise nach dem Schweißen erfolgen kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine Perspektivansicht auf eine Ausgleichsvorrichtung;
- 2a eine Perspektivansicht auf ein Nabenelement der Ausgleichsvorrichtung;
- 2b eine Vorderansicht des in 2a gezeigten Nabenelements;
- 2c eine Schnittdarstellung des Nabenelements gemäß einer, in 2b gezeigten Schnittlinie A-A;
- 3a eine Vorderansicht der Ausgleichsvorrichtung; und
- 3b eine Schnittansicht der Ausgleichsvorrichtung gemäß einer Schnittlinie B-B in 3a.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Ausgleichsvorrichtung 10 für eine vorliegend nicht weiter dargestellte Verbrennungskraftmaschine. Die Ausgleichsvorrichtung 10 umfasst ein als Hohlwelle ausgebildetes, im Wesentlichen rotationssymmetrisches Wellenelement 20 sowie zwei, mit dem Wellenelement 20 gefügte, beispielsweise verschweißte und damit drehfest verbundene Nabenelemente 30, 40, welche zur Lagerung des Wellenelements 20 an der Verbrennungskraftmaschine ausgebildet sind. Die Nabenelemente 30, 40 sind vorliegend als jeweilige Innenringe für eine Zylinderrollenlagerung, Nadellagerung oder Gleitlagerung der Ausgleichsvorrichtung 10 und damit auch des Wellenelements 20 an der Verbrennungskraftmaschine ausgestaltet.
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Die Nabenelemente 30, 40 weisen jeweils einen Unwuchtmassenbereich 34, 44, zum Massenausgleich beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine auf. Mit anderen Worten können mittels der Nabenelemente 30, 40, welche den jeweiligen Unwuchtmassenbereich 34, 44 aufweisen, beim Betrieb der als Hubkolbenmaschine ausgestalteten Verbrennungskraftmaschine auftretende, freie Massenkräfte zumindest teilweise ausgeglichen werden. Die Nabenelemente 30, 40 weisen einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Nabengrundkörper 32, 42 auf, von welchem die jeweiligen Unwuchtmassenbereiche 34, 44 abragen, wie aus der Zusammenschau von 2a, 2b und 2c anhand des Nabenelements 30 gezeigt ist.
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Insbesondere aus 2c geht hervor, dass der dort gezeigte Unwuchtmassenbereich 34 des Nabenelements 30 sowohl in Axialerstreckungsrichtung als auch in Radialerstreckungsrichtung des Nabengrundkörpers von diesem abragt. Dadurch kann ein besonders günstiger Massenausgleich mit besonders geringer Durchbiegung des Wellenelements 20 erzielt werden.
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Die Nabenelemente 30, 40 sind aufgrund deren integrierter, jeweiliger Unwuchtmassenbereiche 34, 44 sowohl als jeweilige Unwuchtmasse als auch als Innenring für die Lagerung der Ausgleichsvorrichtung 10 und damit des Wellenelements 20 an der Verbrennungskraftmaschine ausgebildet. Die jeweiligen Nabengrundkörper 32, 42 eignen sich damit insbesondere als Innenringe für eine Wälzlagerung.
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Die Nabenelemente 30, 40 können aus einem gehärteten Wälzlagerstahl wie beispielsweise C56E2 oder 100Cr6, beziehungsweise aus Einsatzstahl gebildet sein.
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Das Wellenelement 20 kann aus einem einfachen Baustahl beziehungsweise aus Edelstahl gebildet und damit besonders kostengünstig ausgeführt sein.
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Die Nabenelemente 30, 40 können umformtechnisch, durch Schmieden, Gießen oder aus dem Vollen durch spanende Bearbeitung hergestellt sein. Das Wellenelement 20 kann als Stangenmaterial vorliegen oder teilweise oder vollständig tieflochgebohrt sein. Das Wellenelement 20 kann auch als Rohr bereitgestellt werden.
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Die jeweiligen Nabenelemente 30, 40 können auf das Wellenelement 20 an den jeweiligen, in 1 gezeigten Verbindungsbereichen 50, 60 vorzugsweise mittels Innenhochdruckumformen des Wellenelements 20 fixiert werden.
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Alternativ können das Wellenelement 20 und die jeweiligen Nabenelemente 30, 40 an jeweiligen, in 1 gezeigten Verbindungsbereichen 50, 60 thermisch miteinander gefügt sein, einen Längspressverband miteinander ausbilden oder stoffschlüssig miteinander verbunden sein. So kann beispielsweise an den jeweiligen Verbindungsbereichen 50, 60 eine Schweißnaht vorgesehen sein, um die jeweiligen Nabenelemente 30, 40 stoffschlüssig mit dem Wellenelement 20 zu verbinden. Der Verbindungsbereich 50, an welchem das Wellenelement 20 mit dem Nabenelement 30 verbunden ist, ist in 3a und 3b nochmals angedeutet.
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Die Nabenelemente 30, 40, welche als kombinierte Innenlager und Unwuchtmassen ausgebildet sind, können beispielsweise an einem zweiten und vierten Hauptlager der Verbrennungskraftmaschine angeordnet sein. Um den Nabenelementen 30, 40 eine besonders hohe Härte zu verleihen, kann vor oder nach dem Fügen der Nabenelemente 30, 40 mit dem Wellenelement 20 ein Induktivhärten, ein Laserhärten und zusätzlich oder alternativ ein Einsatzhärten der Nabenelemente 30, 40 erfolgen. Das Einsatzhärten kann insbesondere dann erfolgen, wenn als Werkstoff für die Nabenelemente ein Einsatzstahl verwendet wird.
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Das Wellenelement 20 kann aus einem besonders einfachen, preisgünstigen Stahl, beispielsweise aus Baustahl oder aus einem günstigen Edelstahl gebildet sein, wobei das als Hohlwelle ausgestaltete Wellenelement 20 allgemein durch ein Innenhochdruckumformverfahren umgeformt und mit den Nabenelementen 30, 40 gefügt, verlötet oder verschweißt werden kann.
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Im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten, gebauten und rund gekneteten Ausgleichswellen mit außen angeordneten Unwuchtmassen, einteiligen Schmiede-Ausgleichswellen aus C56E und Ausgleichswellen mit vercrimptem Außenring, tritt bei der vorliegenden Ausgleichsvorrichtung eine besonders geringe Durchbiegung des Wellenelements beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, bei welchem das Wellenelement 20 rotiert, auf. Durch die Ausführung des Wellenelements 20 als Hohlwelle kann eine hohe Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht erzielt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ausgleichsvorrichtung
- 20
- Wellenelement
- 30
- Nabenelement
- 32
- Nabengrundkörper
- 34
- Unwuchtmassenbereich
- 40
- Nabenelement
- 42
- Nabengrundkörper
- 44
- Unwuchtmassenbereich
- 50
- Verbindungsbereich
- 60
- Verbindungsbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015223975 A1 [0003]
- DE 102006036851 A1 [0004]
