DE102018125866B3

DE102018125866B3 - Unwuchtwelle

Info

Publication number: DE102018125866B3
Application number: DE102018125866.6A
Authority: DE
Inventors: Hannes Schreyer; Norbert Geyer; Thomas Hußenether; Jan Nagengast
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2018-10-18
Filing date: 2018-10-18
Publication date: 2019-06-27
Anticipated expiration: 2038-10-19
Also published as: US20210317869A1; WO2020078512A1; CN112840145A; CN112840145B

Abstract

Vorgeschlagen ist eine Unwuchtwelle (1) mit einem zu deren Rotationsachse (6) exzentrischen Massenschwerpunkt, der die Wellenunwucht (7) erzeugt, umfassend:- einen Lagerzapfen (2), der relativ zu der den Lagerzapfen in einer Lastzone (8) beaufschlagenden Wellenunwucht (7) im wesentlichen stillsteht und eine über dessen Umfang veränderliche Breite hat;- und einen mehrreihigen Nadelkranz (3), dessen Nadelreihen (12, 13, 14) auf Innenlaufbahnen (15, 16, 17) abwälzen, die auf der Außenmantelfläche des Lagerzapfens verlaufen; wobei:- sich zumindest eine der Innenlaufbahnen (16) vollumfänglich über 360° erstreckt;- über die gesamte Lastzone für die Laufbahnbreite B der Innenlaufbahnen und die effektive Nadellänge L der darauf abwälzenden Nadelreihen jeweils gilt: B > L;- und zumindest abschnittsweise außerhalb der Lastzone für die Laufbahnbreite B von zumindest einer der Innenlaufbahnen (15, 17) und die effektive Nadellänge L der darauf abwälzenden Nadelreihe (12, 14) gilt: B < L.Es soll vollumfänglich für die Laufbahnbreite B der vollumfänglichen Innenlaufbahn und die effektive Nadellänge L der darauf abwälzenden Nadelreihe (13) gelten: B > L.

Description

Die Erfindung betrifft eine Unwuchtwelle mit einem zu deren Rotationsachse exzentrischen Massenschwerpunkt, der die Wellenunwucht erzeugt. Die Unwuchtwelle umfasst:

- einen Lagerzapfen, der relativ zu der den Lagerzapfen in einer Lastzone beaufschlagenden Wellenunwucht im wesentlichen stillsteht und eine über dessen Umfang veränderliche Breite hat;
- und einen mehrreihigen Nadelkranz, dessen Nadelreihen auf Innenlaufbahnen abwälzen, die auf der Außenmantelfläche des Lagerzapfens verlaufen;

- sich zumindest eine der Innenlaufbahnen vollumfänglich über 360° erstreckt;
- über die gesamte Lastzone für die Laufbahnbreite B der Innenlaufbahnen und die effektive Nadellänge L der darauf abwälzenden Nadelreihen jeweils gilt: B > L;
- und zumindest abschnittsweise außerhalb der Lastzone für die Laufbahnbreite B von zumindest einer der Innenlaufbahnen und die effektive Nadellänge L der darauf abwälzenden Nadelreihe gilt: B < L.

Unter der effektiven Nadellänge ist - wie üblich - die Gesamtlänge der Nadeln abzüglich der sich nicht im Wälzkontakt befindlichen Nadelendprofile zu verstehen.
Ein typischer Anwendungsfall einer derartigen Unwuchtwelle sind Massenausgleichsgetriebe, die freie Massenkräfte und/oder -momente einer Hubkolben-Brennkraftmaschine kompensieren. Die Wellenunwucht wirkt als Punktlast auf die Lastzone des Lagerzapfens, so dass dessen Breite der Punktlast entsprechend umfangsveränderlich dimensioniert werden kann: Bei bekannten Lagerzapfen ist der der Lastzone gegenüberliegende Umfangsbereich entweder relativ schmal, oder die Innenlaufbahn des Wälzlagers ist in diesem Bereich mit einer Breite von Null vollständig unterbrochen, siehe beispielsweise EP 1 775 484 B2 , aus der die technischen Vorteile von Unwuchtwellen mit breitenveränderlichen und wälzgelagerten Lagerzapfen im Hinblick auf die Reduzierung von betrieblicher Reibleistung und Gewicht der Unwuchtwelle hervorgehen.
Voraussetzung für die vollständige Unterbrechung des Lagerzapfens ist jedoch selbstverständlich, dass dieser im unterbrochenen Umfangsbereich frei von betrieblichen Kräften ist, die auch in diesem Bereich eine radiale Lagerabstützung erfordern. Das bedeutet umgekehrt, dass die Wälzlagerung auch im Umfangsbereich außerhalb der unwuchtbedingten Lastzone auf dort wirkende Radialkräfte, wie etwa als Umfangslast wirkende Querkräfte aus dem Wellenantrieb abzustimmen ist.
Eine gattungsgemäße Unwuchtwelle mit einem vollumfänglichen und breitenveränderlichen Lagerzapfen und einem zweireihigen Nadelkranz als Radiallager ist aus der DE 10 2014 210 366 A1 bekannt. Ein Vorteil eines mehrreihigen Nadellagers, das insbesondere bei einem sehr großen Längen-Durchmesserverhältnis der Nadeln zur Anwendung kommt, ist die Minimierung des Axialschubs aus der Wälzkörperverschränkung. Je länger die Nadeln ausgeführt sind, desto mehr können sie im Betrieb verschränken. Bei einer Aufteilung einer langen Nadel in mehrere kürzere Nadeln ist deren Verschränkung kleiner und somit der Axialschub im gesamten Nadellager reduziert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Unwuchtwelle mit einer Nadellagerung anzugeben, die in konstruktiv vorteilhafter Weise auf denjenigen Belastungsfall abgestimmt ist, bei dem sowohl innerhalb der unwuchtbedingten Lastzone die Wellenunwucht als auch außerhalb dieser Lastzone eine weitere Radialkraft auf den Lagerzapfen wirkt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass vollumfänglich für die Laufbahnbreite B der vollumfänglichen Innenlaufbahn und die effektive Nadellänge L der darauf abwälzenden Nadelreihe gilt: B > L.
Die erfindungsgemäße Dimensionierung der Laufbahnbreiten besagt zum einen, dass die in der unwuchtbedingten Lastzone wirkende Lagerzapfenbelastung von allen Nadelreihen gemeinsam aufgenommen und übertragen wird, und zum anderen, dass sich die Nadeln der auf der vollumfänglichen Innenlaufbahn abwälzenden Nadelreihe stets auf ihrer gesamten effektiven Länge im Wälzkontakt mit der Innenlaufbahn befinden und folglich weder einseitig noch beidseitig über der Innenlaufbahn überstehen. Deren vollumfängliche Unterstützung der gesamten effektiven Nadellänge bewirkt, dass zumindest die Nadeln dieser Nadelreihe sowohl innerhalb als auch im radialkraftbelasteten Umfangsbereich außerhalb der unwuchtbedingten Lastzone kantenträgerfrei abwälzen
In Abhängigkeit der Höhe der Radialkraft, die den Lagerzapfen außerhalb der unwuchtbedingten Lastzone belastet, können dort eine oder mehrere der Innenlaufbahnen mit der Laufbahnbreite B=0 umfänglich vollständig unterbrochen sein. Der Übergang zwischen der vollen Laufbahnbreite und der Unterbrechung kann einerseits mit allmählich abnehmender Laufbahnbreite erfolgen. Andererseits sollen die Innenlaufbahnen insbesondere dann übergangsfrei unterbrochen sein, falls die Innenlaufbahnen in diesen Umfangsbereichen des Lagerzapfens radialkraft- und folglich lastfrei sind. Unter der übergangsfreien Unterbrechung ist zu verstehen, dass die unterbrochene Innenlaufbahn - in Umlaufrichtung der Laufbahnunterbrechung gesehen - mit einer achsparallelen Kante endet und beginnt. Das verhindert ebenfalls, dass es am Anfang und am Ende der Laufbahnunterbrechung zu verschleißfördernden Kantenträgern an den Nadeln kommt.
Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Unwuchtwelle vereinfacht dargestellt ist. Es zeigen:

1 die Unwuchtwelle in perspektivischer Darstellung;
2 den Lagerzapfen der Unwuchtwelle als vergrößerte Einzelheit in perspektivischem Teilschnitt;
3 den Lagerzapfen als vergrößerte Einzelheit im Längsschnitt.

1 zeigt eine Unwuchtwelle 1 eines Massenausgleichsgetriebes, das zum Ausgleich der freien Massenkräfte und -momente zweiter Ordnung einer Brennkraftmaschine in Vierzylinder-Reihenbauweise dient. Das Massenausgleichsgetriebe umfasst in diesem Fall zwei derartige Unwuchtwellen 1, die mit doppelter Kurbelwellendrehzahl gegensinnig rotieren. Weitere Anbauteile, wie beispielsweise ein die Unwuchtwelle 1 antreibendes Ketten- oder Zahnrad oder ein Axialkräfte aufnehmendes Rillenkugellager fehlen in der vereinfachten Darstellung.
Wie in 2 vergrößert dargestellt, weist die Unwuchtwelle 1 zwecks radialer Lagerung einen Lagerzapfen 2 und einen mehrreihigen Nadelkranz 3 auf, der den Lagerzapfen 2 umschließt. Die an den Lagerzapfen 2 angrenzenden Wellenabschnitte 4 und 5 sind als Unwuchtabschnitte ausgebildet, so dass die Unwuchtwelle 1 einen zu deren Rotationsachse 6 exzentrischen und die Wellenunwucht 7 erzeugenden Massenschwerpunkt aufweist. Der Lagerzapfen 2 ist zugunsten des Wellenleichtbaus mit einer umfangsveränderlichen Breite ebenfalls an der Erzeugung der Wellenunwucht 7 beteiligt und steht relativ zur Wellenunwucht 7 still, so dass diese den Lagerzapfen 2 in einer Lastzone 8 mit Punktlast beaufschlagt. Die Lastzone 8 und die Wellenunwucht 7 sind in 3 durch die Schattierung beziehungsweise den Pfeil angedeutet. Der Lagerzapfen 2 springt gegenüber Axialschultern 9 und 10 der angrenzenden Wellenabschnitte 4, 5 radial zurück, wobei sich die Axialschultern 9, 10 über lediglich einen Teilumfang des Lagerzapfens 2 erstrecken und die Lastzone 8 innerhalb dieses ca. 180° betragenden Teilumfangs verläuft.
Die Unwuchtwelle 1 ist ferner mit einem Antriebsnocken 11 versehen, der einen Plunger einer nicht dargestellten Kraftstoffpumpe der Brennkraftmaschine antreibt.
Der Lagerzapfen 2 ist zu einer Unwuchtebene, die durch den Massenschwerpunkt der Unwuchtwelle 1 und deren Rotationsachse 6 aufgespannt wird, spiegelsymmetrisch. Die umfangsveränderliche Breite des Lagerzapfens 2 ist an dessen umfangsveränderliche Radialkraftbelastung angepasst, die sich aus der Wellenunwucht 7 und aus der Reaktionskraft des Antriebsnockens 11 ergibt. Dabei ist die Lastzone 8 erheblich höher als der diametral gegenüberliegende Umfangsbereich des Lagerzapfens 2 belastet.
Der Nadelkranz 3 ist dreireihig, und dessen baugleiche Nadelreihen 12, 13 und 14 wälzen auf Innenlaufbahnen 15, 16 und 17 ab, die unmittelbar durch die Außenmantelfläche des Lagerzapfens 2 gebildet sind. Der Nadelkranz 3 und die Innenlaufbahnen 15 bis 17 sind zur mittleren Nadelreihe 13 spiegelsymmetrisch, so dass der Nadelkranz 3 ungerichtet montiert werden kann.
Als Alternative zu den Direktlaufbahnen auf dem Lagerzapfen 2 können die Innenlaufbahnen auch auf einem Lagerring verlaufen, der mit dem Lagerzapfen gefügt ist und eine entsprechend umfangsveränderliche Breite hat.
Die Breite des Lagerzapfens 2 ist über den gesamten Umfangsbereich der Lastzone 8 so bemessen, dass dort für die Laufbahnbreite B jeder Innenlaufbahn 15 bis 17 und für die effektive Nadellänge L der darauf abwälzenden Nadelreihen 12 bis 14 die maßliche Beziehung gilt: B > L. Folglich wird die Lagerlast im gesamten Umfangsbereich der Lastzone 8 über die gesamte effektive Nadellänge L aller Nadelreihen 12 bis 14 übertragen.
Die mittlere Innenlaufbahn 16 erstreckt sich vollumfänglich über 360°, wobei für deren Laufbahnbreite B und für die effektive Nadellänge L der darauf abwälzenden Nadelreihe 13 die maßliche Beziehung B > L vollumfänglich gilt. Die beiden äußeren Innenlaufbahnen 15 und 17 sind jeweils außerhalb der Lastzone 8 mit einer Laufbahnbreite B=0 vollständig unterbrochen, so dass die aus der Reaktionskraft des Antriebsnockens 11 resultierende Lagerbelastung im Umfangsbereich der Unterbrechung nur von der mittleren Innenlaufbahn 16 und der darauf abwälzenden Nadelreihe 13 übertragen wird. Die Unterbrechung jeder Innenlaufbahn 15 und 17 ist übergangsfrei, d.h. in Umfangsrichtung enden und beginnen die Innenlaufbahnen 15 und 17 jeweils mit achsparallelen Kanten 18 und 19, an denen der Lagerzapfen 2 lastfrei ist.
Bezugszeichenliste

1: Unwuchtwelle
2: Lagerzapfen
3: Wellenabschnitt
4: Wellenabschnitt
5: Wellenabschnitt
6: Rotationsachse
7: Wellenunwucht
8: Lastzone
9: Axialschulter
10: Axialschulter
11: Antriebsnocken
12: Nadelreihe
13: Nadelreihe
14: Nadelreihe
15: Innenlaufbahn
16: Innenlaufbahn
17: Innenlaufbahn
18: Kante
19: Kante

Claims

Unwuchtwelle (1) mit einem zu deren Rotationsachse (6) exzentrischen Massenschwerpunkt, der die Wellenunwucht (7) erzeugt, umfassend: - einen Lagerzapfen (2), der relativ zu der den Lagerzapfen (2) in einer Lastzone (8) beaufschlagenden Wellenunwucht (7) im wesentlichen stillsteht und eine über dessen Umfang veränderliche Breite hat; - und einen mehrreihigen Nadelkranz (3), dessen Nadelreihen (12, 13, 14) auf Innenlaufbahnen (15, 16, 17) abwälzen, die auf der Außenmantelfläche des Lagerzapfens (2) verlaufen; wobei: - sich zumindest eine der Innenlaufbahnen (16) vollumfänglich über 360° erstreckt; - über die gesamte Lastzone (8) für die Laufbahnbreite B der Innenlaufbahnen (15, 16, 17) und die effektive Nadellänge L der darauf abwälzenden Nadelreihen (12, 13, 14) jeweils gilt: B > L; - und zumindest abschnittsweise außerhalb der Lastzone (8) für die Laufbahnbreite B von zumindest einer der Innenlaufbahnen (15, 17) und die effektive Nadellänge L der darauf abwälzenden Nadelreihe (12, 14) gilt: B < L; dadurch gekennzeichnet, dass vollumfänglich für die Laufbahnbreite B der vollumfänglichen Innenlaufbahn (16) und die effektive Nadellänge L der darauf abwälzenden Nadelreihe (13) gilt: B > L.
Unwuchtwelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest abschnittsweise außerhalb der Lastzone (8) zumindest eine der Innenlaufbahnen (15, 17) mit der Laufbahnbreite B = 0 unterbrochen ist.
Unwuchtwelle (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechung der Innenlaufbahn (15, 17) übergangsfrei ist.
Unwuchtwelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unwuchtwelle (1) einen Antriebsnocken (11) für den Antrieb einer Kraftstoffpumpe hat.
Unwuchtwelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nadelkranz (3) dreireihig ist.
Unwuchtwelle (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Nadelkranz (3) und die Innenlaufbahnen (15, 16, 17) zur mittleren Nadelreihe (13) spiegelsymmetrisch sind.