DE19726922B4

DE19726922B4 - Ausgleichswellen mit minimaler Masse

Info

Publication number: DE19726922B4
Application number: DE19726922A
Authority: DE
Inventors: David L. Clarkston Killion; Michael D. New Hudson Hendrian; Robert J. Whitmore Lake Crist
Original assignee: Simpson Industries Inc
Current assignee: Simpson Industries Inc
Priority date: 1996-07-09
Filing date: 1997-06-25
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2017-06-26
Also published as: GB2315101B; DE19726922A1; GB2315101A; US5857388A; GB9710889D0

Abstract

Ausgleichswelle für rotierende Mechanismen mit einer ersten und einer zweiten Lagerfläche, um diese Welle in dem Mechanismus zu lagern, einem Paar einander gegenüberliegender Ausgleichsgewichte und einem zwischen diesen Ausgleichsgewichten angeordneten Verbindungsteil, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines dieser Ausgleichsgewichte eine Oberfläche mit einer bei Betrachtung normal zu der Fläche des bei der Rotation der Welle erzeugten Unwuchtkräftepaars im wesentlichen hyperbolischen Form hat.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Ausgleichswellen für rotierende Mechanismen gemäß den Merkmalen der Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 10 und eine Welle vom Einzelunwuchttyp mit einer ersten Lagerfläche in Nachbarschaft zu einem ersten Ende, einer zweiten Lagerfläche in Nachbarschaft zum anderen Ende, einem Ausgleichsgewicht in Nachbarschaft zum ersten Ende und einem Verbindungsteil.
Zur Verminderung oder Beseitigung von Schüttelkräften und/oder Schwingungen, welche auf konstruktionsbedingte Restunwuchten bei Maschinen mit rotierenden Teilen oder Anordnungen, wie Motoren, zurückzuführen sind, werden gewöhnlich Ausgleichswellen verwendet.
Ausgleichswellen sind insbesondere dann nützlich, wenn, wie im Fall von Motorfahrzeugen wie Automobilen, Motorrädern und dergleichen, Komfort für Bediener oder Passagiere und Vermeidung von Ermüdung oder Ablenkung durch Lärm oder Schwingungen angestrebt werden. Auch vom Standpunkt der Zuverlässigkeit des Gerätes ist es vorteilhaft, die Schwingung zu minimieren. Werden Schwingungen vermindert, dann kann die Größe, die Masse und/oder die Komplexität der Aufbauten oft ebenfalls zuverlässig vermindert werden, wodurch die Möglichkeit zur Kostensenkung besteht.
Bei Mehrzylinder-Kraftfahrzeugmotoren für die Verwendung in Automobilen werden heute Vierzylinder-Reihenmotoren und 90°-V- 6-Motoren wegen ihrer Raumeffizienz und ihrer Kosten bevorzugt. Für beide Bauarten sind Ausgleichswellen vorteilhaft, jedoch aus verschiedenen Gründen und bei verschiedenen Schwingungscharakteristiken. Daher erfordern sie deutlich verschiedene Ausgleichswellenanordnungen.
Ausgleichswellen für 4-Zylinder-Reihenmotoren sind typisch paarweise angeordnet und rotieren in entgegengesetzter Richtung mit doppelter Motordrehzahl. Beide Ausgleichswellen kompensieren gegenseitig ihre seitlichen Schüttelkräfte und wirken den senkrechten sekundären Schüttelkräften, die bei diesem Motortyp typisch sind, entgegen. Jede Welle erzeugt eine Einzelunwuchtkraft, die zusammen mit der Unwuchtkraft der korrespondierenden Welle eine resultierende senkrechte Schüttelkraft im Zentrum der Zylinderreihe erzeugt. Diese Wellen vom "Einzelunwuchttyp" sind z. B. im US-Patent 4,819,505 gezeigt.
Andere Motoren, wie 90°-V-6-Motoren (d. h. 6-Zylindermotoren mit zwei Gruppen aus drei Zylindern im Winkelabstand von 90°), erzeugen resultierende Unwuchtkräfte in Form eines mit der Kurbelwellendrehzahl rotierenden Kräftepaares. Für diese Motoren sind einzelne Ausgleichswellen mit zwei Ausgleichsgewichten oder -massen vorteilhaft, die auf entgegengesetzten Seiten ihrer Rotationsachse, aber in axialem Abstand angeordnet sind, so daß sie eine dynamische Unwucht aufweisen, die ein rotierendes Kräftepaar liefert. Das von der Ausgleichswelle erzeugte Kräftepaar soll dem des Motors entgegenwirken oder es auslöschen, wenn die Welle mit Kurbelwellendrehzahl und gegensinnig zur Kurbelwelle rotiert. Die axiale Position dieser Welle vom Typ "rotierendes Kräftepaar" in bezug auf den Motor ist nicht kritisch, da die Wirkung dieser Ausgleichswelle aus einem reinen Kräftepaar oder Drehmoment auf das Kurbelgehäuse besteht.
Beide Typen von Ausgleichswellen beinhalten häufig ein langgestrecktes Stützglied oder eine Welle, welche im Fall der Welle vom Typ des rotierenden Kräftepaars zwischen den Aus gleichsgewichten, oder im Fall der Welle vom Einzelunwuchttyp zwischen dem Ausgleichsgewicht oder den Ausgleichsgewichten und einem Antriebsglied eine strukturelle Verbindung herstellt. Das langgestreckte Stützglied ist sowohl Torsinns- als auch Biegekräften ausgesetzt und muß daher stabil genug sein, um den baulichen Anforderungen zu genügen. Da die Masse des langgestreckten Stützgliedes größtenteils "totes Gewicht" ist und, wenn überhaupt, nur wenig zur Unwucht beiträgt, kann seine Masse bei Anwendungen, bei denen die Gesamtmasse die Produktkosten und/oder die Wirksamkeit im Betrieb beeinflußt, vermindert werden. Diese langgestreckten Stützglieder oder Wellen haben typischerweise einen kreisförmigen Querschnitt. Dieser kreisförmige Querschnitt stellt eine strukturell ineffiziente Materialverteilung dar, wegen derer die Bauteile und die sie unterstützenden Aufbauten unnötig schwer und häufig unnötig teuer sind.
Im Motor ist der Platz oder Raum für die Anbringung der Ausgleichswellen typischerweise klein oder begrenzt. Gewöhnlich sind Ausgleichswellen auf das Arbeiten innerhalb bestimmter Radii beschränkt, entweder um von zugehörigen Teilen fernzubleiben oder um den Einbau zu ermöglichen. Daher führt eine effiziente Materialverwendung typischerweise zu einem Ausgleichsgewicht mit einer Querschnittsform, die, abgesehen von den Durchdringungsbereichen mit dem langgestreckten Stützglied, die Form eines Kreisabschnitts hat, d. h., der Fläche zwischen Kreisumfang und -sehne. Der Kreisumfang einer solchen Form stellt die Grenze des Spielraums dar, welche die Ausgleichswelle nicht ohne Risiko einer unerwünschten Berührung überschreiten kann. Die Sehne stellt einen geometrischen Ort konstanten Unwuchtbeitrags innerhalb des Kreisabschnitts dar, indem sie die Massenelemente in gleichem Abstand von der Rotationsachse mit Bezug auf die Fähigkeit des Massenelementes, eine Zentrifugalkraft in einer bestimmten Richtung, d. h. bei Betrachtung normal zur gewünschten Richtung der Unwuchtkraft, zu erzeugen, anordnet.
Typischerweise ist die Kreisabschnittform der Ausgleichsge wichte längs ihrer Länge konstant. Für die Konstruktion ermöglicht dies eine einfache Berechnung ihrer Unwuchtwerte. Jedoch führt diese Form auch zu einer ineffizienten Materialverteilung bei einer Welle vom Typ des rotierenden Kräftepaars, wodurch die Bauteile und ihre tragenden Strukturen massiver und daher oft auch teurer als nötig werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, verbesserte Ausgleichswellen für Rotationsmaschinen wie Kraftfahrzeugmotoren bereitzustellen, indem sie Konstruktionsformen ermöglicht, welche:

1. durch verbesserte Materialausnutzung in den Bereichen des langgestreckten Stützgliedes des Bauteils bei gegebenen Belastungsbedingungen zu geringerem Gewicht und dadurch auch potentiell niedrigeren Kosten führen;
2. durch verbesserte Materialausnutzung in den Bereichen des langgestreckten Stützgliedes des Bauteils stärker sind und einen größeren Sicherheitsfaktor bei gegebener Materialverwendung haben;
3. durch verbesserte Materialausnutzung in den Bereichen des langgestreckten Stützgliedes des Bauteils zur Erhöhung der Lebensdauer des Lagers infolge des aus der erhöhten Steifigkeit (Widerstand gegen Verbiegung unter Zentrifugalbelastung) sich ergebenden verminderten Kippwinkel des Lagerzapfens beitragen;
4. durch verbesserte Materialausnutzung in den Bereichen des langgestreckten Stützgliedes des Bauteils eine erhöhte Steifheit (Widerstand gegen Verbiegung unter Zentrifugalbelastung) zeigen, womit der Zusatznutzen einer verminderten Lagerzapfenkippung und dadurch einer potentiell erhöhten Effizienz im Betrieb durch kleinere Lagergrößen mit geringerem Reibungswiderstand verbunden ist;
5. durch verbesserte Materialausnutzung in den Ausgleichsgewichtbereichen der Bauteile vom Typ rotierendes Kräftepaar ein geringeres Gewicht und daher auch potentiell geringere Kosten erzielt; und/oder
6. durch verminderte Wirbelbildung bzw. Abbremsung durch Luftwiderstand infolge der verminderten Frontfläche und Stumpfheit von kleineren, wirksamer geformten Ausgleichsgewichten des Bauteils vom Typ des rotierenden Kräftepaars parasitären Leistungsverlust vermindert.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 10 und 18 gelöst.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Lösung dieser Aufgabe, indem sie Konstruktionsmethoden und -strukturen angibt, welche zu verbesserten Ausgleichswellenanordnungen mit erhöhter Steifheit gegenüber Zentrifugalbiegebelastungen, erhöhter Lagerlebensdauer und/oder vermindertem Gewicht führen, mit dem möglichen Zusatznutzen verminderter Kosten und geringeren Reibungswiderstands. Das verminderte Gewicht kann nachfolgende Gewichtsverminderungen bei den zugeordneten Trägerstrukturen des Motors oder Fahrzeugs erlauben.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird die Querschnittsform des langgestreckten Stützgliedes oder der Welle, im folgenden als "Verbindungsteil" bezeichnet, zwischen den Ausgleichsgewichten und den Antriebsmitteln der Ausgleichswelle vom Einzelunwuchttyp in optimierter Weise gebildet, um die Materialverwendung bei Aufrechterhaltung der erforderlichen Biegesteifigkeit, Verwindungssteifigkeit und eines sicheren Niveaus mechanischer Spannung zu minimieren. Der Querschnitt des Verbindungsteils ist im wesentlichen wie ein I-Träger mit rückspringenden oder konkaven Teilen geformt. Das verbessert das Widerstandsmoment-Masse-Verhältnis in Richtung der Zentrifugalbelastung, was wiederum bei gegebener Materialverwendung die Spitzenbelastung vermindert. Die Optimierung des Verbindungsteils kann auch eine Verjüngung umfassen, so daß der Querschnitt des I-Trägers entlang seiner Länge entsprechend der Änderung des Biegemoments variiert.
Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, nämlich bei Ausgleichswellen vom Typ des rotierenden Kräftepaars, ist eine der Oberflächen eines jeden Ausgleichsgewichtes der Welle vorzugsweise als hyperbolische Kurve oder als eine Annäherung daran geformt. Die hyperbolische Kurve stellt den geometrischen Ort konstanten Beitrags zu dem durch die Welle erzeugten Unwucht-Kräftepaar dar. Für jede Kombination eines Unwuchtwertes mit den Grenzbedingungen für den Spielraum des Ausgleichsgewichtes gibt es eine eindeutige und bevorzugte Hyperbel.
Auch bei der Ausgleichswelle vom Typ des rotierenden Kräftepaars wird die Querschnittsform des Verbindungsteils zwischen den Ausgleichsgewichten in optimierter Weise zur Minimierung der Materialverwendung gebildet. Der Querschnitt des Verbindungsteils ist im wesentlichen wie ein I-Träger mit rückspringenden oder konkaven Teilen geformt. Dies verbessert das Verhältnis von Widerstandsmoment zu Masse in Richtung der Zentrifugalbelastung, wodurch wiederum die Spitzenbelastung bei gegebener Materialverwendung vermindert wird.
Andere Nutzen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, wenn sie entsprechend den Ansprüchen und Zeichnungen verstanden werden.
1 ist eine Seitenansicht eines 4-Zylinder-Reihenmotors mit zwei Ausgleichswellen vom Einzelunwuchttyp;
2 ist eine Vorderansicht des in 1 gezeigten Motors;
3 ist eine Seitenansicht einer Ausgleichswelle vom Einzelunwuchttyp zur Verwendung in einem 4-Zylinder-Reihenmotor;
3a, 3b und 3c sind Querschnitte der in 3 gezeigten Ausgleichswelle, wobei die Querschnitte entlang der Linien A-A, B-B bzw. C-C in Richtung der Pfeile in 3 verstanden werden;
4 ist eine Draufsicht der in 3 gezeigten Ausgleichswelle vom Einzelunwuchttyp;
5 ist eine Seitenansicht eines Kraftfahrzeugmotors mit einer Ausgleichswelle vom Typ des rotierenden Kräftepaars entsprechend der vorliegenden Erfindung;
6 ist eine Vorderansicht des in 5 gezeigten Motors;
7 und 8 sind schematische Diagramme einer typischen Ausgleichswelle vom Typ des rotierenden Kräftepaars, welche die mit dieser verbundenen Gewichte, Kräfte und Momente veranschaulichen;
9 ist eine Seitenansicht einer Ausgleichswelle vom Typ des rotierenden Kräftepaars entsprechend der vorliegenden Erfindung;
10 ist eine Unteransicht der in 9 gezeigten Ausgleichswelle vom Typ des rotierenden Kräftepaars;
11 veranschaulicht eine Vorgehensweise, nach der die hyperbolische Form der gekrümmten Oberflächen entsprechend der vorliegenden Erfindung für die Ausgleichsgewichte einer Ausgleichswelle vom Typ des rotierenden Kräftepaars bestimmt werden kann;
12 veranschaulicht die Verschiebung ineffizienter Masse auf einer Ausgleichswelle, um sie entsprechend der vorliegenden Erfindung effizient zu machen;
13 bis 18 veranschaulichen alternative Ausführungen von Ausgleichsgewichten entsprechend der vorliegenden Erfindung; und
19 bis 21 sind Querschnitte der in 9 gezeigten Ausgleichswelle, die entlang den Linien 19-19, 20-20 bzw. 21-21 in 9 und in Richtung der Pfeile zu sehen sind.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf verbesserte Ausgleichswellen vom Einzelunwuchttyp, die in 1 bis 4 der Zeichnungen gezeigt sind, und Ausgleichswellen vom Typ des rotierenden Kräftepaars, die in den 5 bis 21 der Zeichnungen dargestellt sind.
Die 1 und 2 zeigen die Seiten- bzw. Vorderansicht eines Vierzylinder-Kraftfahrzeugreihenmotors 20. Der Motor hat einen Motorblock 22 und eine Kurbelwelle 23, welche von den mit den Kolben 24 des Motors verbundenen Pleueln in Drehung versetzt wird. Ein Paar Ausgleichswellen 26 wird zur Verminderung oder Auslöschung der Schüttelkräfte und/oder der Schwingung verwendet, die durch die Bewegung der hin und hergehenden Bauteile im Motor 20 verursacht wird. Die Ausgleichswellen 26 sind Wellen vom Einzelunwuchttyp und jede erzeugt eine einzelne Unwuchtkraft. Die beiden Ausgleichswellen 26 löschen gegenseitig ihre seitlichen Schüttelkräfte aus, während sie den vom Motor 20 erzeugten vertikalen sekundären Schüttelkräften entgegenwirken.
Jede der Ausgleichswellen wird typischerweise durch Lager 27, 28 und 29 in ihrer Position gehalten. Diese Lager werden, wie in 1 gezeigt, in Lagerpfannen 27a, 28a bzw. 29a gehalten. Während in 1 Position und Halterung nur für eine der zwei Ausgleichswellen 26 gezeigt ist, wird die zweite Ausgleichswelle des Ausgleichswellenpaars des Motors 20 im wesentlichen auf die gleiche Weise angeordnet und in Position gehalten.
Die 3 und 4 zeigen die Seiten- bzw. Draufsicht einer der beiden Ausgleichswellen 26 vom Einzelunwuchttyp. Jede der Ausgleichswellen 26 hat ein Vorder- oder Antriebsteil 30 an einem Ende, ein Verbindungsteil 32 und ein Ausgleichsgewicht 34. Das Verbindungsteil 32 ist zwischen der Lauffläche 27 und einem Ende des Ausgleichsgewichts 34 angeordnet, die Lauffläche 29 am entgegengesetzten Ende des Ausgleichsgewichts. Die Lauffläche 28 befindet sich ungefähr in der Mitte der Länge des Ausgleichsgewichts 34. Die Ausgleichswelle 26 rotiert um ihre Mittelachse 36. Wie in 2 und 3c deutlicher gezeigt, ist das Ausgleichsgewicht 34 halbkreisförmig.
Das Verbindungsteil 32 hat an seinen entgegengesetzten Seiten ein Paar Rücksprünge oder Kanäle 38 und 40. Diese Rücksprünge 38 und 40 vermindern beträchtlich das Gesamtgewicht der Ausgleichswelle 26 ohne wesentliche Einbuße an Festigkeit oder Steifheit der Ausgleichswelle. Die 3a, 3b und 3c zeigen Größe und Form des Querschnitts des Verbindungsteils 32 an verschiedenen Stellen längs seiner Länge. Falls gewünscht, kann alternativ auch nur ein Rücksprung im Verbindungsteil angebracht werden.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf Ausgleichswellen vom Typ des rotierenden Kräftepaars, die zur Verminderung oder Auslöschung von Schwingung und/oder Schüttelkräften verwendet werden, die durch gewisse Motoren, wie den in 5 und 6 gezeigten V-6-Motor 52, erzeugt werden. Der Motor 52 ist ein 90°-V-6-Motor. Diese Motoren erzeugen durch ihren Aufbau und ihre Geometrie ein Unwuchtkräftepaar, welches in entgegengesetzter Richtung wie die Kurbelwelle umläuft, und können daher durch eine gegensinnig rotierende Ausgleichswelle vom Typ des rotierenden Kräftepaars wesentlich verbessert werden. Das von der Ausgleichswelle erzeugte Kräftepaar ist so konstruiert, daß es, wenn die Ausgleichswelle mit der Drehzahl der Kurbelwelle und in Gegenrichtung zu ihr rotiert, demjenigen des Motors entgegenwirkt oder es auslöscht.
Die erfindungsgemäße Ausgleichswelle wird in den Zeichnungen allgemein mit dem Bezugszeichen 50 gekennzeichnet. Der Motor 52, in dem sich die Ausgleichswelle 50 befindet, umfaßt im allgemeinen einen Zylinderblock 54, ein Paar Zylinderköpfe 56, eine Kurbelwelle 58, eine Nockenwelle 60, eine Ölwanne 62 und einen Luftfilter 64. Mehrere Kolben 66 sind in den Zylindern 68 angebracht und mit der Kurbelwelle verbunden.
Ein Vorder- oder Antriebsteil 70 der Ausgleichswelle 50, an dem ein Antriebs- oder Kettenrad 72 angebracht ist, ragt aus der Vorderseite des Zylinderblocks 54 hervor. Das Zahnrad 72 ist in irgendeiner üblichen Weise, etwa durch einen Bolzen 74, befestigt. Das Zahnrad 72 ist auch gegenüber dem Antriebsteil 70 durch Nut und Feder (nicht gezeigt) oder irgendein anderes übliches Mittel ausgerichtet.
Auch die Nockenwelle 60 und die Kurbelwelle 58 haben Vorder- oder Antriebsteile 80 bzw. 82, die aus der Vorderseite des Zylinderblocks 54 hervorragen. Das Vorderteil 80 der Nockenwelle 60 ist am Antriebszahnrad 84 und am Kettenrad 86 befestigt. Das Vorderteil 82 der Kurbelwelle 58 ist am Antriebskettenrad 88 befestigt. Bevorzugt wird auch ein Schwingungsdämpfer 90 am Vorderteil 82 der Kurbelwelle 58 angebracht. Die Kettenräder 86 und 88 sind durch eine übliche Antriebskette oder einen Zahnriemen 92 verbunden. Das Antriebszahnrad 84 greift in das Zahnrad 72 auf der Ausgleichswelle 50 ein.
Wie in 6 gezeigt, werden beide Kettenräder 86 und 88 durch die Antriebskette oder den Zahnriemen 92 in der gleichen Richtung gedreht. Größe und Durchmesser der Kettenräder 86 und 88 sind so gewählt, daß die Kurbelwelle 58 mit der doppelten Geschwindigkeit der Nockenwelle 60 rotiert.
Durch den Eingriff der Zahnräder 72 und 84 rotiert die Ausgleichswelle 50 in Gegenrichtung zur Kurbelwelle und gleicht so die vom Motor 52 hervorgerufenen Schwingungen aus. Größe und Durchmesser der Zahnräder 84 und 72 bestimmen die Drehzahl der Ausgleichswelle 50. Typischerweise rotiert die Welle 50 mit der doppelten Drehzahl der Nockenwelle 60 und der gleichen Drehzahl wie die Kurbelwelle 58.
In den 7 und 8 sind schematisch die Form und die Charakteristika einer üblichen Ausgleichswelle vom Typ des rotierenden Kräftepaars gezeigt. Die Ausgleichswelle 100 besitzt ein Paar Lagerflächen 101 und 102, ein Paar Ausgleichsgewichte 103 und 104 und ein Verbindungsteil 105, wie in 7 gezeigt. Die Ausgleichsgewichte 103 und 104 haben Schwerpunkte "CG₁" bzw. "CG₂" an den gezeigten Punkten. Die Ausgleichswelle 100 rotiert um eine zentrale Längsachse 106. Wie gezeigt, befinden sich die Ausgleichsgewichte 103 und 104 auf entgegengesetzten Seiten der Achse 106. Die Querschnittsform der Ausgleichsgewichte 103 und 104 können beliebig sein, jedoch sind Kreisabschnittformen typisch, wobei die gerade Innenkante des Gewichts einen konstanten Beitrag zur Unwucht innerhalb des Abschnitts darstellt.
Das Unwuchtkräftepaar "C_u" der Ausgleichswelle, das zur Aufhebung jenes des Motors notwendig ist, beruht auf den Massen und der Geometrie des Motors. Es wird mittels üblicher, dem Fachmann bekannter Verfahren berechnet. Das Unwuchtkräftepaar kann durch die Gleichung Cu = LR1W1 + LR2W2 (1)ausgedrückt werden, wobei L die Hälfte der Länge oder des Abstandes CG₁–CG₂ zwischen den Schwerpunkten der Ausgleichsgewichte, R₁ und R₂ die Abstände der Schwerpunkte der Ausgleichsgewichte zur Rotationsachse 106 und W₁ und W₂ die Massen oder Gewichte der Ausgleichsgewichte bedeuten. Diese Abstände und Gewichte sind in dem Diagramm in 8 bezeichnet.
Bei der Konstruktion des Motors werden die Abmessungen des Hohlraums für die Unterbringung der Ausgleichswelle festgelegt. Dabei wird die Länge zwischen den Lagern, welche die Lagerflächen 101 und 102 aufnehmen, zusammen mit dem Grenzradius/den Grenzradien der Ausgleichswelle festgelegt. Form und Gestalt der Ausgleichswelle ist auf diese Grenzen beschränkt. Wenn es erwünscht ist, die Gewichte W der Ausgleichsgewichte zu vermindern, können folglich in Übereinstimmung mit der oben angegebenen Gleichung (1) die Abstände L oder R bis zu dem durch die Grenzbedingungen erlaubten Ausmaß variiert werden, um das erforderliche Kräftepaar C_u für den Motor zu ergeben.
9 und 10 zeigen eine erfindungsgemäße Ausgleichswelle 50 vom Typ des rotierenden Kräftepaars. Die Ausgleichswelle 50 hat ein Paar Lagerflächen 111 und 112, ein Paar Ausgleichsgewichte 113 und 114 und ein zentrales Verbindungsteil 115, welches sich zwischen den Ausgleichsgewichten erstreckt. Die Ausgleichswelle rotiert um eine Längsachse 118.
Die Ausgleichsgewichte 113 und 114 können gekrümmte oder gera de Zwickelteile 120 und 122 besitzen, durch welche die Ausgleichsgewichte mit den Lagerflächen 111 bzw. 112 angepaßt verbunden werden. Dadurch wird die Festigkeit des Aufbaues erhöht.
Die Flächen 111 und 112 an den Enden der Ausgleichswelle sind so bearbeitet, daß sie eine korrekte Passung in den Lagern 124 bzw. 126 des Motors (s. 5) gestatten. Die Lager 124 und 126 sind so angeordnet, daß die Ausgleichswelle 50 frei rotieren kann, wenn sie in den Motor 52 eingebaut ist. Das Vorderteil 70 der Ausgleichswelle 50 befindet sich an einem Ende der Ausgleichswelle und ist so gestaltet, daß es sich außerhalb des Zylinderblocks 54 erstreckt und, wie oben gezeigt, mit dem Antriebsritzel 72 verbunden wird. Wie oben gezeigt, dreht das Antriebsritzel 72 die Ausgleichswelle 50 in der Richtung und mit der Drehzahl, wie es für den Motor gewünscht ist.
Obschon die Zeichnungen und die vorstehende Beschreibung offenbaren, daß die Ausgleichswelle mit Hilfe von Lagern, die an ihren beiden Enden angeordnet sind, im Motor montiert wird, ist es auch möglich, die Lager an von den Enden der Welle entfernten Zwischenpositionen anzubringen, beispielsweise innerhalb der Ausdehnung der Ausgleichsgewichte. Des weiteren können mehr oder weniger als zwei Lager vorgesehen sein.
Die Oberfläche 128 des Ausgleichsgewichts 113 und die Oberfläche 130 des Ausgleichsgewichts 114 sind so bearbeitet, daß sie eine gekrümmte Oberfläche haben. Wie in 10 gezeigt, können durch die Krümmung der Oberflächen 128 und 130 auch die Seiten der Ausgleichsgewichte 113 und 114 zu Kurven geformt werden, die sich von den Lagerflächen 111 und 112 gegen das Verbindungsteil 115 verjüngen.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden die Oberflächen 128 und 130 als hyperbolische Kurven oder als Annäherungen an hyperbolische Kurven geformt. Dieses Merkmal ist in 11 besser gezeigt. In dieser Figur ist die Hälfte der Ausgleichswelle 50 in Überlagerung mit einem X-Y-Koordinatensystem ge zeigt. Die Rotationsachse 118 der Ausgleichswelle ist längs der X-Achse ausgerichtet, und der Koordinatenursprung befindet sich im Mittelpunkt P des Kräftepaars. Wie gezeigt, wird die Krümmung der Oberfläche 130 des Ausgleichsgewichts 114 längs einer Hyperbel entsprechend der Gleichung: (X) × (Y) = C (2)gebildet.
Das gewünschte Ergebnis einer Ausgleichswelle vom Typ rotierendes Kräftepaar ist ein reines Kräftepaar von bestimmter Größe. Für dieses Ergebnis ist es notwendig, daß beide Unwuchten (R₁) × (W₁) und (R₂) × (W₂) gleich sind, da sonst ein Kräftepaar mit einer Restunwucht entstehen würde. Als Vereinfachung (zum Zweck der Erläuterung und wie in 7 und 8 gezeigt) der allgemeineren Gleichungen, die Kräfte und Momente aufsummieren, die ebenfalls für jede gleich sind, kann so ein "Halbmomentabstand" L definiert werden, nämlich der axiale Abstand von einem Schwerpunkt CG zu einem Punkt P in der Mitte zwischen den Schwerpunkten CG.
Vernachlässigt man zur Vereinfachung der Erläuterung die auf Verbindungsteile, Zwickelteile und dergleichen zurückgehenden Unwuchtbeiträge, dann kann man sehen, daß der Beitrag eines jeden Massenelementes innerhalb des Ausgleichsgewichtes zur Größe des rotierenden Unwuchtkräftepaars eine Funktion des Ortes dieses Elements ist, insbesondere das Produkt seines axialen Abstandes von der Mittellinie des Unwuchtkräftepaars und seines radialen Abstandes von der Rotationsmittelachse der Welle bei Betrachtung normal zur Ebene des Unwuchtkräftepaars wie in 7, 9 und 11. Daraus sieht man, daß Orte mit einem (X) × (Y)-Produkt größer als ein Bezugswert "C" eine effizientere Materialverwendung darstellen als Orte mit kleineren Produkten. Um erfindungsgemäß die Verminderung der Masse für Ausgleichswellen vom Typ des rotierenden Kräftepaars sicherzustellen, wird daher Masse (Ausgleichsgewichtmaterial, das nicht für strukturelle Zwecke, wie Verbindungsteile, Zwic kelteile und dergleichen, bestimmt ist) von Orten mit niedrigem (X) × (Y)-Produkt zu effizienteren Orten mit Produkten größer als oder gleich einem Bezugswert "C" verschoben.
Eine allgemeine Darstellung dieser Verschiebung zeigt 12. Hier ist das Profil eines typischen rechtwinkligen Gegengewichtes 114' mit dem Bezugszeichen 119 bezeichnet. Die Ausgleichswelle rotiert um die Achse 118 und hat ein Verbindungsteil 115. Der ineffiziente Anteil 121 der Ausgleichsgewichtmasse befindet sich unter der durch die Hyperbel C' definierten Hüllkurve oder Fläche. Erfindungsgemäß wird der ineffiziente Massenanteil 121 in effektiver Weise an die Position 123 über der Hyperbel C' auf der Ausgleichswelle verschoben, damit sich die notwendige Unwucht mit weniger Material ergibt.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für Wellen vom Typ des rotierenden Kräftepaars besteht darin, Material einheitlich entlang der gesamten Länge der durch die Gleichung (X) × (Y) = C oder Y = C/X definierten in Seitenansicht hyperbolischen Oberflächen hinzuzufügen oder wegzunehmen. Der Wert von C wird solange angepaßt, bis die Zielgröße des Unwuchtkräftepaars erreicht ist und nachdem die Freigrenzenradien voll ausgenutzt wurden.
Wenn die Freigrenzenhüllfläche durch einen einzigen Radius definiert ist, ist die Ausgleichswelle symmetrisch (abgesehen vom Einfluß von Unterschieden in Merkmalen, die für strukturelle Zwecke bestimmt sind) mit einem gemeinsamen C-Wert für beide Ausgleichsgewichte. Wo die Freigrenzenbedingungen unterschiedlich sind, d. h. wo für die zwei Ausgleichsgewichte verschiedene Hüllflächengrößen oder Formen durch mehrere Radien definiert sind, umfaßt die Optimierung der Masse die Anwendung verschiedener C-Werte, damit die (R) × (W)-Unwuchten der beiden Ausgleichsgewichte angeglichen werden. Die unterschiedlichen C-Werte ergeben unterschiedliche Orte für die Schwerpunkte CG und beeinflussen so den Abstand zwischen den CG und daher auch den Wert des Abstandes L, der ein bestimmender Wert für die Größe des Unwuchtmomentes ist. In diesem Fall unterschiedlicher Grenzbedingungen ist es notwendig, deutlich verschiedene C-Werte festzulegen, welche die Zielgröße des Unwuchtkräftepaars ergeben und gleichzeitig die Hüllkurve der Freigrenze voll ausnutzen, um jegliche Restunwucht, die sich aus ungleichen (R) × (W)-Unwuchtwerten ergeben würde, zu vermeiden.
Bevorzugt ist die Form der Oberfläche 130 eine echte Hyperbel (wie in 11 und 13 gezeigt). In 13 ist die Hyperbelform durch die gedachte Linie H als Fortsetzung der Kurve, welche die Oberfläche 130 auf dem Ausgleichsgewicht 114 bildet, gezeigt.
Es ist jedoch erfindungsgemäß auch möglich, daß die Oberfläche 130 eine Form hat, die eine angemessene Annäherung einer Hyperbel darstellt. Beispiele dafür sind in den 14 bis 18 gezeigt. In 14 hat beispielsweise die Oberfläche 130a eine allgemein gekrümmte Oberfläche. Die Oberfläche 130a wird als Teil eines großen Kreises mit dem Radius R_L gebildet. In 15 wird zur Annäherung an die Hyperbelform eine Reihe von geraden Abschnitten 130b benutzt. Es ist dabei klar, daß eine beliebige Anzahl von Geradenabschnitten anstelle der in 15 gezeigten drei zur Annäherung an eine Hyperbel verwendet werden kann.
In 16 wird die gekrümmte Oberfläche 130c durch eine Kombination einer Geraden 131 und einer Kurve 132 gebildet. Das Kurventeil 132 wird dabei als Teil eines kleinen Kreises mit dem Radius R_s gebildet. Wie in 17 gezeigt, wird die gekrümmte Oberfläche 130d als abgeschnittene Hyperbel 133 mit einem stumpfen Endabschnitt 135 gebildet. In 18 wird die Hyperbel durch eine Reihe von Geraden 130e angenähert und hat ein abgeschnittenes oder stumpfes Ende 137. Der stumpfe Endabschnitt 137 kann mit jeder beliebigen der vorstehenden Umrißvarianten verwendet werden. Beispielsweise kann infolge von Überlegungen zur Herstellung und/oder zum Entwurf ein stumpfes Ende 137 vorgesehen sein.
Darüber hinaus ist es auch möglich, daß die Form der Oberfläche 130 ein Teil einer anderen geometrischen Figur, wie ein Teil einer Parabel oder einer Ellipse, solange sie eine angemessene Näherung einer hyperbolischen Kurve oder Form bildet.
Wie oben festgestellt, erlaubt es die gekrümmte Form des Ausgleichsgewichtes erfindungsgemäß, das Produkt der Länge L, die vom Mittelpunkt P des Kräftepaars zu den Schwerpunkten CG₁ und CG₂ der Ausgleichsgewichte reicht, mit den Radien R₁ und R₂ zu den Schwerpunkten (s. 7 und 8) durch die Materialverteilung längs der hyperbolischen Oberfläche 130 zu maximieren, und dadurch ineffizient angeordnetes Material zu vermeiden, welches unter die Schwelle "gleicher Effizienz", d. h. mit konstantem Beitrag zur Unwucht, fallen würde. (Dies ist in 12 gezeigt, wo die Kurve mit dem Buchstaben C' bezeichnet ist.) Dies wiederum erlaubt eine Minimierung der Masse oder des Gewichtes W der Ausgleichsgewichte.
Die für die Ausgleichsgewichte der Ausgleichswelle tatsächlich verwendete spezielle Kurve, wie die die Oberfläche 130 in 11 bildende Kurve C₂, wird nach den von der Spielraumhüllfläche des Motors erlaubten und dem benötigten Ausgleichskräftepaar erforderlichen Längen- und Gewichtskenngrößen ausgewählt. So wird, wie in 11 gezeigt, ein Ausgleichsgewicht mit einer längs der Kurve C₁ gekrümmten Oberfläche ein kleineres Unwuchtmoment ergeben als die Kurve C₂, während die Kurve C₃ ein größeres Unwuchtmoment liefert. Das benötigte Unwuchtkräftepaar wird daher durch die angemessenen Werte der Konstanten C erhalten, wodurch unnötiges Gewicht oder unnötige Masse vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird auch Größe und Form des Querschnitts des Verbindungsteils 115 für gegebene Lastbedingungen optimiert, um seine Masse und damit das Gewicht der Ausgleichswelle 50 zu minimieren. Die 19, 20 und 21 veranschaulichen eine bevorzugte Form des Verbindungsteil 115 der in 9 und 10 gezeigten Ausgleichswelle 50.
Die Seiten 140 und 142 des Verbindungsteils 115 sind, wie in 19 bis 21 gezeigt, zurückspringend oder konkav geformt. Dies erleichtert oder vermindert das Gewicht der Ausgleichswelle, ohne ihre Biegesteifigkeit in der Ebene der Zentrifugalbelastung durch das Ausgleichsgewicht wesentlich zu vermindern. Im wesentlichen hat die Querschnittsform des Verbindungsteils 115 eine allgemeine "I-Profil"-Form. Dadurch wird das Widerstandsmoment in Richtung der Zentrifugallast maximiert. Dies wiederum minimiert die Spitzenspannung für eine gegebene Menge verwendeten Materials. Andererseits kann in dem Verbindungsteil auch nur ein Rücksprung vorgesehen sein.
21 zeigt einen Querschnitt der Ausgleichswelle 50 mit einem Teil des Verbindungsteils 115 und einem Teil des Ausgleichsgewichtes 114. Gewicht oder Masse der Ausgleichswelle sind, wie gezeigt, über einen weiten Bereich verteilt, um das Widerstandsmoment aufrechtzuerhalten und Spannungskonzentrationen zu vermeiden. Es ist klar, daß erfindungsgemäß auch andere Querschnittsformen und Verhältnisse für die Verbindungsteile 115 und die Übergangsbereiche zu den Ausgleichsgewichten 114 angewendet werden können.

Claims

Ausgleichswelle für rotierende Mechanismen mit einer ersten und einer zweiten Lagerfläche, um diese Welle in dem Mechanismus zu lagern, einem Paar einander gegenüberliegender Ausgleichsgewichte und einem zwischen diesen Ausgleichsgewichten angeordneten Verbindungsteil, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines dieser Ausgleichsgewichte eine Oberfläche mit einer bei Betrachtung normal zu der Fläche des bei der Rotation der Welle erzeugten Unwuchtkräftepaars im wesentlichen hyperbolischen Form hat.
Ausgleichswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil einen Querschnitt mit zumindest einer rückspringenden Oberfläche hat.
Ausgleichswelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt im wesentlichen die Form eines I-Profils mit zwei rückspringenden Flächen hat.
Ausgleichswelle nach Anspruch 1, wobei die hyperbolische Form durch eine Fläche mit zwei oder mehreren Geradenabschnitten angenähert wird.
Ausgleichswelle nach Anspruch 1, wobei die hyperbolische Form durch eine Fläche mit zumindest einem gekrümmten Teil mit einem Radius R angenähert wird.
Ausgleichswelle nach Anspruch 1, wobei die hyperbolische Form durch eine Fläche mit zumindest einem gekrümmten Teil mit einem Radius R und zumindest einem Geradenabschnitt angenähert wird.
Ausgleichswelle nach Anspruch 1, wobei die hyperbolische Form durch eine Fläche mit zumindest einem hyperbolisch gekrümmten Teil und zumindest einem Geradenabschnitt angenähert wird.
Ausgleichswelle nach Anspruch 1, wobei die hyperbolische Form am Anschluss zum Verbindungsteil abgestumpft ist.
Ausgleichswelle nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Lagerfläche an den beiden Enden der Ausgleichswelle angebracht sind.
Ausgleichswelle für rotierende Mechanismen mit einer ersten Lagerfläche in Nachbarschaft eines Endes, einer zweiten Lagerfläche in Nachbarschaft des anderen Endes, einem Paar sich gegenüberstehender Ausgleichsgewichte und einem zwischen diesen Ausgleichsgewichten angeordneten Verbindungsteil, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil einen Querschnitt mit zumindest einer rückspringenden Fläche hat.
Ausgleichswelle nach Anspruch 10, wobei der Querschnitt im wesentlichen die Form eines I-Profils hat.
Ausgleichswelle nach Anspruch 10, wobei mindestens eins der Ausgleichsgewichte eine Oberfläche mit einer bei Betrachtung normal zu der Fläche des bei der Rotation der Welle erzeugten Unwuchtkräftepaars im wesentlichen hyperbolischer Form hat.
Ausgleichswelle nach Anspruch 12, wobei die hyperbolische Form durch eine Fläche mit zwei oder mehreren Geradenabschnitten angenähert wird.
Ausgleichswelle nach Anspruch 12, wobei die hyperbolische Form durch eine Fläche mit zumindest einem gekrümmten Teil mit einem Radius R angenähert wird.
Ausgleichswelle nach Anspruch 12, wobei die hyperbolische Form durch eine Fläche mit zumindest einem gekrümmten Teil mit einem Radius R und zumindest einem Geradenabschnitt angenähert wird.
Ausgleichswelle nach Anspruch 12, wobei die hyperbolische Form durch eine Fläche mit zumindest einem hyperbolisch gekrümmten Teil und zumindest einem Geradenabschnitt angenähert wird.
Ausgleichswelle nach Anspruch 12, wobei die hyperbolische Form am Anschluss zum Verbindungsteil abgestumpft ist.
Eine Welle vom Einzelunwuchttyp mit einer ersten Lagerfläche in Nachbarschaft zu einem ersten Ende, einer zweiten Lagerfläche in Nachbarschaft zum anderen Ende, einem Ausgleichsgewicht in Nachbarschaft zum ersten Ende und einem Verbindungsteil, das das Ausgleichsgewicht mit dem anderen Ende verbindet, wobei das Verbindungsteil einen Querschnitt mit zumindest einer rückspringenden Fläche hat.
Ausgleichswelle nach Anspruch 18, wobei der Querschnitt im wesentlichen die Form eines I-Profils mit zwei rückspringenden Flächen hat.
Ausgleichswelle nach Anspruch 19, wobei der Querschnitt des Verbindungsteils sich entlang von dessen Länge verjüngt.
Eine Welle vom Einzelunwuchttyp mit einer ersten Lagerfläche in Nachbarschaft des ersten Endes, einer zweiten Lagerfläche in Nachbarschaft des anderen Endes, einem Ausgleichsgewicht in Nachbarschaft des ersten Endes und einem das Ausgleichsgewicht mit dem anderen Ende verbindenden Verbindungsteil, wobei das Verbindungsteil eine Längsachse hat und eine Querschnittsform aufweist, die sich längs dieser Längsachse verjüngt.
Welle vom Einzelunwuchttyp nach Anspruch 21, wobei das Verbindungsteil auch eine im wesentlichen I-profilartige Querschnittsform aufweist.
Welle vom Einzelunwuchttyp nach Anspruch 21, wobei das Verbindungsteil auch einen Querschnitt mit zumindest einer rückspringenden Fläche zur Minimierung des Gewichtes der Welle hat.