DE19617382A1

DE19617382A1 - Schwingungsdämpfer

Info

Publication number: DE19617382A1
Application number: DE19617382A
Authority: DE
Inventors: Philip J Mott; Kevin B Todd; Roger T Simpson
Original assignee: Borg Warner Automotive Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 1995-05-09
Filing date: 1996-04-30
Publication date: 1996-11-14
Also published as: US5579665A; US5655416A

Description

Diese Erfindung befaßt sich mit dem Dämpfen von Schwingungen in umlaufenden Einrichtungen. Insbesondere betrifft die Er findung einen Zentrifugalkraft-Schwingungsdämpfer zum Absor bieren von Schwingungen in einem Nockenwellen-Kettenrad-Sy stem von Brennkraftmaschinen.

Zeitsteuereinrichtungen für Brennkraftmaschinen verwenden typischerweise eine Endloskette, die zwischen einem treiben den Kettenrad auf der Kurbelwelle und einem getriebenen Ket tenrad auf der Nockenwelle verläuft. Die Nockenwelle und die Kettenräder können bei bestimmten Frequenzen Resonanzschwin gungen ausführen. Resonanzschwingungen werden häufig durch das gesamte System übertragen und können die auf das System und dessen Einzelteile ausgeübten Kräfte erheblich vergrößern, möglicherweise sogar einen Kettenbruch verursachen. Dieses Problem ist besonders akut bei Brennkraftmaschinen mit oben gelagerten Nockenwellen, da der Abstand zwischen den Kettenrädern und somit die Länge der Kette relativ groß ist und die Schwingungseffekte hierdurch vergrößert werden.

Herkömmliche Lösungsansätze für dieses Problem haben sich vor allen Dingen darauf konzentriert, Störungen der Kurbel welle mittels interner Einrichtungen wie z. B. gegenläufige Ausgleichswellen, Lanchester-Dämpfer und harmonische Aus gleichseinrichtungen zu reduzieren. Auch wurden externe Ein richtungen wie z. B. Fluidlagerungen für die Brennkraftma schine sowie Lagerungen mit verstellbaren Dämpfungseigen schaften wurden verwendet. Im Gegensatz ist die vorliegende Erfindung darauf gerichtet, Torsionsschwingungen der Nocken welle zu reduzieren.

Bei einigen vorbekannten Zeitsteuereinrichtungen wird ein Dämpferstück aus Gummi verwendet, das an dem Kettenrad an liegt und mit der Nockenwelle verschraubt ist, um Schwingun gen zu dämpfen. Das Gummi-Dämpferstück neigt jedoch dazu, aufgrund der Schwingungen Risse zu bekommen. Andere Zeit steuereinrichtungen verwenden ein Gewicht, das, statt mit der Nockenwelle verschraubt zu sein, auf der Nockenwelle durch eine Tellerfeder in Anlage mit dem Kettenrad gehalten wird. Reibmaterial ist in dem Berührungsbereich zwischen dem Kettenrad und dem Gewicht vorgesehen. Wenn auch diese Ein richtungen recht effektiv sind, sind sie jedoch Herstellung, Zusammenbau und Dauerfestigkeit von Nachteil.

Ein Beispiel einer vorbekannten Dämpfungstechnik findet sich in der US-A-4,317,388. Diese Druckschrift offenbart ein Zahnrad mit geteilten Dämpfungsringen eines Durchmessers, der geringfügig kleiner als das Zahnrad ist, das mittels einer Schrauben-Mutter-Anordnung festgeschraubt ist. Durch Anziehen der Schrauben werden die Dämpfungsringe nach außen gedrückt, wodurch ein in Umfangsrichtung gegen den Rand des Zahnrades wirkender Druck erzeugt wird und Zugspannungen auf das Zahnrad ausgeübt werden. Durch Festziehen der Schrauben werden außerdem elastomere Beilagscheiben, die der Schrau ben-Mutter-Anordnung zugeordnet sind, gegen den Steg des Zahnrades fest angedrückt, was die Spannungswelle dämpft, die von dem Rand durch den Steg in die Welle verläuft.

Ein weiteres Beispiel einer vorbekannten Dämpfungstechnik zeigt die US-A-5,308,289. Der darin offenbarte Dämpfer be steht aus einer Riemenscheibe, die mit einem Massenteil mit einem elastischen Gummiteil verbunden ist. Die Riemenscheibe und das Massenteil haben jeweils zwei Vorsprünge, und die Vorsprünge der Riemenscheibe berühren die Seiten der Vor sprünge des Massenteils. Ein zweites elastisches Gummiteil ist zwischen den sich berührenden Vorsprüngen angeordnet. Aufgrund von Biegeschwingungen der Kurbelwelle schwingt die Riemenscheibe in radialer Richtung, und das erste elastische Gummiteil formt sich, was zur Folge hat, daß der dynamische Dämpfer mit der Riemenscheibe in Resonanz gerät und die Bie geschwingungen mindert. Torsionsschwingungen bewirken, daß die Riemenscheibe in Umfangsrichtung schwingt. Das zweite elastische Gummiteil erfährt eine Kompressionsverformung, welche die Federkraft mindert und die Resonanzfrequenz ge genüber den Torsionsschwingungen anhebt. Nachteilig ist, daß die Gummiteile wenig verschleißfest sind.

Ein weiteres Beispiel einer vorbekannten Dämpfungstechnik zeigt die US-A-4,254,985. Dieses Patent offenbart einen Dämpfungsring für umlaufende Räder, bei dem visko-elasti sches Dämpfungsmaterial in einer Ringnut in der Oberfläche des Rades angeordnet ist. Ein Metallring ist in der Nut an der Oberseite des Dämpfungsmaterials angeordnet. Im Betrieb unterliegt das Dämpfungsmaterial einer Scherverformung. Die se Dämpfungstechnik ist insbesondere auf Eisenbahnräder so wie die Dämpfung von Quietschgeräuschen derartiger Räder ge richtet.

Durch die vorliegende Erfindung sollen die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin dung sind in den Ansprüchen definiert.

Um Schwingungen der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine zu reduzieren, schafft die vorliegende Erfindung einen Zentri fugalkraft-Schwingungsdämpfer, der angrenzend an dem getrie benen Kettenrad auf der Nockenwelle angeordnet ist. Der Dämpfungsschwinger besitzt einen Trägheitsring, der-mit dem getriebenen Kettenrad durch ein Nabenteil in Berührung ge halten wird. Das Nabenteil ist angrenzend an dem Trägheits ring auf der Nockenwelle angeordnet. Der Trägheitsring be wegt sich unabhängig von dem Kettenrad und dem Nabenteil.

Bei der Drehung der Nockenwelle wird ein Spalt im Umfang des Trägheitsringes aufgeweitet, wodurch eine größere Kraft auf die Kontaktbereiche ausgeübt wird. Reibmaterial, das zwi schen den Kontaktflächen des Trägheitsringes und des Naben teils angeordnet ist, verlangsamt die Drehbewegung des Träg heitsringes und absorbiert hierbei die Torsionsschwingungs energie durch Wärmedissipation.

Bei einem etwas anderen Ausführungsbeispiel besteht der Trägheitsring aus zwei Teilen, welche durch Federn verbunden sind, die die beiden Teile des Trägheitsringes nach außen drücken, um eine Vorspannungskraft auf das Reibmaterial aus zuüben, das zwischen den Kontaktflächen der beiden Teile des Trägheitsringes und dem Nabenteil angeordnet ist. Aufgrund der Drehbewegung entsteht eine Zentrifugalkraft, die die beiden Teile des Trägheitsringes auseinanderdrückt und die auf das Reibmaterial wirkende Kraft erhöht. Durch Einstellen der Vorspannkraft und des Durchmessers, auf dem die Zentri fugalkraft auf das Reibmaterial einwirkt, kann der Zentri fugalkraft-Schwingungsdämpfer so abgestimmt wird, daß Tor sionsschwingungen bei unterschiedlichen Drehzahlen gedämpft werden.

Bei einem dritten Ausführungsbeispiel wird der Trägheitsring von einem Haltering in Anlage mit dem Kettenrad gehalten. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Reibmaterial zwischen dem Trägheitsring und dem Kettenrad statt zwischen dem Träg heitsring und einem Nabenteil angeordnet. Im übrigen ist dieses Ausführungsbeispiel jedoch in ähnlicher Weise wie das erste Ausführungsbeispiel ausgebildet.

Die vorliegende Erfindung zeichnet sich durch einfache Her stellbarkeit und einfachen Zusammenbau, hohe Dauerfestigkeit und Betriebssicherheit aus. Insbesondere verwendet sie keine verschleißanfälligen Teile. Auch sind keine Schrauben und Muttern erforderlich wie z. B. bei dem Dämpfer nach der US-A- 4,317,388 erforderlich. Auch eine hochpräzise Bearbeitung komplizierter Teile ist nicht erforderlich.

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfin dung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Zentrifugalkraft-Schwingungsdämpfers mit einer Nockenwelle, einem Kettenrad, einem Trägheitsring und einem Nabenteil;

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel im zusammengebauten Zustand;

Fig. 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 in Fig. 2, die den Schwingungsdämpfer auf der Nockenwelle darstellt;

Fig. 4 ist eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungs beispiel mit zwei getrennten Teilen des Trägheits ringes;

Fig. 5 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 5-5 in Fig. 4;

Fig. 6 ist eine Draufsicht auf ein drittes Ausführungs beispiel;

Fig. 7 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 7-7 in Fig. 6.

Der in Fig. 1 dargestellte Zentrifugalkraft-Schwingungsdämp fer besteht aus einer Nockenwelle 2, auf der ein Kettenrad 4 angeordnet ist, einem Trägheitsring 6, der neben dem Ketten rad 4 angeordnet ist, und einem Nabenteil 8, das neben dem Trägheitsring 6 angeordnet ist. Der Trägheitsring 6 ist un abhängig von dem Kettenrad 4 bewegbar.

Das Kettenrad 4 besitzt eine Nabe 30, die mit einer Wellen öffnung 32 versehen ist, sowie einen verzahnten Randab schnitt 34. Die Nabe 30 und der Randabschnitt 34 sind durch einen Stegabschnitt 36 einteilig miteinander verbunden. Das Kettenrad 4 ist an der Nockenwelle 2 durch irgendwelche ge eigneten Befestigungsmittel wie z. B. einen Preßsitz, eine Schweiß-, Keilnuten- oder Paßfeder-Verbindung befestigt. Eine Kette 10 (die in Fig. 3 zu sehen ist) läuft auf Zähnen 18 des Kettenrades 4.

Der Trägheitsring 6 hat einen Außenumfang 20, der im wesent lichen kreisförmig ist, jedoch von einem Spalt 22 unterbro chen wird. Der Trägheitsring 6 besitzt ferner eine zentrale Öffnung 44, die im wesentlichen kreisförmig ausgebildet ist. Die Kreisform wird jedoch von einem oder mehreren ausgespar ten Bereichen 12 unterbrochen, die mit der zentralen Öffnung 24 in Verbindung steht. Die Anzahl, Form, Größe und Anord nung der ausgesparten Bereiche 12 beeinflussen das Träg heitsmoment des Trägheitsringes 6 und können für eine Ab stimmung der Dämpfungswirkung gewählt werden. Die Dämpfungs wirkung kann ferner dadurch beeinflußt werden, daß der Durchmesser des Trägheitsringes 6 sowie der Radius, auf dem das Reibmaterial 16 angeordnet wird, geändert werden.

Bei dem in den Fig. 2, 3 dargestellten bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel besteht der Trägheitsring 6 aus Stahl, und er besitzt eine erhabene ringförmige Fläche 26, die so ausge bildet ist, daß sie neben den Stegabschnitt 36 des Ketten rades 4 paßt. Auf der gegenüberliegenden Stirnseite des Trägheitsringes 6 befindet sich eine ringförmige, trogför mige Vertiefung 38. Ein Innenring 14 bildet die Begrenzung nächst der Nockenwelle 2 der ringförmigen Vertiefung 38. Der Innenring 14 besitzt eine erste Kontaktfläche 46, die ko axial zu der Nockenwelle 2 verläuft und auf der radial ent fernten Seite des Innenringes 4 angeordnet ist.

Das Nabenteil 8 besteht aus Stahl und besitzt eine Öffnung 40 zur Aufnahme der Nockenwelle 2. Ein radialer Querschnitt des Nabenteils 8 hat im wesentlichen die Form der Ziffer "5" bzw. des Buchstabens "S" und wird im folgenden als S-förmig bezeichnet, um Verwechslungen mit den mit Bezugsziffern be zeichneten Teilen zu vermeiden. Der Schenkel des "S", der entfernt zu der Öffnung 40 angeordnet ist, bildet einen Außenring 42. Der Außenring 42 besitzt eine zweite Kontaktflä che 44, die koaxial zu der Nockenwelle 2 verläuft und auf der radial nächstliegenden Seite des Außenringes 42 angeord net ist. Das Nabenteil 8 wird durch einen Preßsitz oder in anderer Weise auf der Nockenwelle 2 gehalten.

Ein kreisförmiges Band aus Reibmaterial 16 kann auf der ersten Kontaktfläche 46 des Innenrings 14 oder auf der zwei ten Kontaktfläche 44 des Außenrings 42 des Nabenteils 8 an geordnet werden. Das Reibmaterial 16 kann irgendein herkömm lich eingesetzter Kupplungsbelag oder ein ähnliches Produkt mit einem stabilen Reibkoeffizienten und guten Dauerfestig keitseigenschaften sein. Es wird an der ausgewählten Kon taktfläche durch irgendwelche geeigneten Mittel, vorzugswei se durch einen Kleber, befestigt.

Im Betrieb gleiten der Trägheitsring 6 und das Nabenteil 8 relativ zueinander. Bei einer Drehung der Nockenwelle 2 wird der Spalt 22 des Trägheitsringes 6 stärker aufgeweitet, was die zweite Kontaktfläche 44 des Trägheitsrings 6 mit größe rer Kraft an das Reibmaterial 16 und die erste Kontaktfläche 46 des Außenrings 42 des Nabenteils 8 andrückt. Schwingungen des Kettenrades 4 und der Nockenwelle 2 werden durch Wärme dissipation aufgrund der drehenden Gleitbewegung des Träg heitsringes 6 und des Nabenteils 8 entlang des Reibmaterials 16 gedämpft.

Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 4 und 5 dar gestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Trägheits ring 50 in einen ersten Teil 52 und einen zweiten Teil 54 unterteilt, die durch mindestens eine Feder 56 miteinander verbunden sind. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine zweite Feder 58 verwendet, wenngleich ein anderer elastischer Verbinder (nicht gezeigt) an ihre Stelle verwen det werden könnte. Bei diesem Ausführungsbeispiel verläuft ein Spalt 60 quer über den Durchmesser des Trägheitsringes 50 zwischen dem ersten Teil 52 und dem zweiten Teil 54 des Trägheitsringes 50.

Bei einer Drehbewegung des Schwingungsdämpfers weitet sich der Spalt 60, wenn sich der erste Teil 52 von dem zweiten Teil 54 wegbewegt. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird aufgrund der Aufweitung des Trägheitsringes 50 eine Kraft auf das Reibmaterial 62 ausgeübt, das zwischen dem Trägheitsring 50 und dem Nabenteil 64 angeordnet ist. Die Feder 56 übt eine Vorspannungskraft auf das Reibmaterial 62 aus. Schwingungen werden gedämpft, während Wärme von dem Trägheitsring 50 und dem Nabenteil 64, die entlang des Reib materials 62 gleiten, abgeführt. Bei diesem Ausführungsbei spiel kann die Abstimmung der Dämpfungswirkung durch Wahl der Vorspannungskraft der Feder weiter beeinflußt werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 6 und 7 dargestellt. Ein Trägheitsring 70 ist auf einer Nockenwelle 72 neben einem Kettenrad 74 angeordnet und wird von einem Haltering 108 festgelegt. Eine Schraube 78 befestigt das Kettenrad 74 an einem Ring 80 auf der Nockenwelle 72. Das Kettenrad 74 besitzt eine die Nockenwelle aufnehmende Öff nung 82, einen ausgesparten Bereich 84 und einen Randab schnitt 86. Der Randabschnitt 86 weist eine erste Kontakt fläche 88 auf, die senkrecht zu dem ausgesparten Bereich 84 und koaxial zu der Nockenwelle 72 verläuft.

Der Trägheitsring 70 besitzt eine zentrale Öffnung 92, eine Außenfläche 94, eine Innenfläche 96, einen Außenumfang 98 und einen ringförmigen Vorsprung 100 mit einer zweiten Kon taktfläche 112, die senkrecht zu der Innenfläche 96 ver läuft. Die zweite Kontaktfläche 112 des ringförmigen Vor sprungs 100 ist so ausgebildet, daß sie neben die erste Kontaktfläche 88 des Randabschnittes 86 paßt. Die zentrale Öffnung 92 wird durch eine ringförmige Lippe 102 gebildet. Der Außenumfang 98 des Trägheitsringes 70 ist im wesentli chen kreisförmig, jedoch durch einen Spalt 104 unterbrochen, der von der zentralen Öffnung 92 aus radial nach außen ver läuft.

Zumindest ein ausgesparter Bereich 106, der in die zentrale Öffnung 92 übergeht, ist vorgesehen. Auf der Nockenwelle 72 neben dem Trägheitsring 70 befindet sich ein Haltering 108, der mit der ringförmigen Lippe 102 des Trägheitsringes 70 in Berührung steht. Ein Reibmaterial 110 kann auf der ersten Kontaktfläche 88 des Randabschnittes 86 des Kettenrades 74 oder auf der zweiten Kontaktfläche 112 des ringförmigen Vor sprungs 100 des Trägheitsringes 70 angeordnet werden.

Während der Drehbewegung wird der Spalt 104 des Trägheits ringes 70 aufgeweitet, und die zweite Kontaktfläche 112 des Trägheitsringes 70 wird gegen die erste Kontaktfläche 88 des Kettenrades 74 angedrückt. Der Trägheitsring 70 leitet be züglich des Kettenrades 74 entlang des Reibmaterials 110, und Schwingungen werden von der Nockenwelle 72 durch Wärme dissipation absorbiert.

Claims

1. Zentrifugalkraft-Schwingungsdämpfer zum Absorbie ren von Schwingungen in einem Nockenwellen-Kettenrad-System mit:
einem Kettenrad (4; 74), das auf einer Nockenwelle (2) angeordnet ist,
einem Trägheitsring (6; 50), der auf der Nockenwel le (2) neben dem Kettenrad angeordnet und unabhängig von dem Kettenrad bewegbar ist,
wobei eine zentrale Öffnung (32) des Trägheitsrin ges bis zum Außenumfang des Trägheitsringes verläuft, um einen Spalt (22; 60) in dem Außenumfang des Trägheitsringes (6; 50) zu bilden,
einem Nabenteil (8; 64), das auf der Nockenwelle (2) neben dem Trägheitsring (6; 50) angeordnet ist, und einem Reibmaterial (16; 62), das zwischen dem Na benteil (8; 64) und einem an der zentralen Öffnung (32) an grenzenden Innenring (14) des Trägheitsringes (6; 50) ange ordnet ist,
so daß der Trägheitsring (6; 50) und das Nabenteil (8; 64) entlang des Reibmaterials (16; 62) relativ zueinander bewegbar sind, um Schwingungen der Nockenwelle (2) zu dämp fen.

2. Zentrifugalkraft-Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägheitsring (6) einen ausgesparten Bereich (12) aufweist, der in die zentrale Öff nung (32) übergeht.

3. Zentrifugalkraft-Schwingungsdämpfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgesparte Bereich (12) eine ungefähr dreieckige Form hat.

4. Zentrifugalkraft-Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägheitsring (50) aus zwei Teilen (52, 54) besteht, die bei der Drehung durch den Spalt (60) getrennt sind.

5. Zentrifugalkraft-Schwingungsdämpfer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (52, 54) des Trägheitsringes (50) durch zumindest eine Feder (56; 58) ver bunden sind.

6. Zentrifugalkraft-Schwingungsdämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Reibmaterial (16; 62) an einer Kontaktfläche (44) des Naben teils (8; 64) befestigt ist.

7. Zentrifugalkraft-Schwingungsdämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Reibmaterial (16; 62) an einer Kontaktfläche (46) des Innen rings (14) des Trägheitsringes (6; 50) befestigt ist.

8. Zentrifugalkraft-Schwingungsdämpfer zum Absorbie ren von Schwingungen in einem Nockenwellen-Kettenrad-System, mit:
einem Kettenrad (74), das auf einer Nockenwelle (2) angeordnet ist und einen Randabschnitt (86) aufweist, welcher eine zu der Nockenwelle erste Kontaktfläche (88) be sitzt,
einem Trägheitsring (70), der auf der Nockenwelle (2) neben dem Kettenrad (74) angeordnet ist und einen Außen umfang (98), eine zentrale Öffnung (92) sowie einen ringför migen Vorsprung (100) besitzt, der in den Randabschnitt (86) des Kettenrades (74) paßt,
wobei die zentrale Öffnung (92) radial nach außen durch den Außenumfang des Trägheitsringes (70) verläuft, um einen Spalt (104) in dem Außenumfang (98) des Trägheitsrin ges zu bilden,
wobei der ringförmige Vorsprung (100) eine zu der Nockenwelle (2) koaxiale zweite Kontaktfläche (112) auf weist,
einem Haltering (108), der auf der Nockenwelle (2) neben dem Trägheitsring (70) angeordnet ist und mit dem Trägheitsring in Berührung steht, und
einem Reibmaterial (110), das zwischen den beiden Kontaktflächen (88, 112) angeordnet ist.

9. Zentrifugalkraft-Schwingungsdämpfer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Reibmaterial (110) an der ersten Kontaktfläche (88) befestigt ist.

10. Zentrifugalkraft-Schwingungsdämpfer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Reibmaterial (110) an der zweiten Kontaktfläche (112) befestigt ist.

11. Zentrifugalkraft-Schwingungsdämpfer nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Träg heitsring (70) einen ausgesparten Bereich (106) besitzt, der in die zentrale Öffnung (92) übergeht.

12. Zentrifugalkraft-Schwingungsdämpfer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgesparte Bereich (106) eine ungefähr dreieckige Form hat.