DE29903372U1 - Balance shaft - Google Patents
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Description
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Anmelder:
Roland Klaar
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Roland Klaar
Hohenhagener Strasse 6
42855 Remscheid42855 Remscheid
Patentanmeldung 98611 GMPatent application 98611 GM
„Ausgleichswelle""Balance shaft"
Beschreibung:Description:
Die Erfindung betrifft eine Ausgleichswelle zum Kompensieren von Massenkräften und/oder Massenmomenten in Brennkraftmaschinen des Hubkolbentyps, in welcher mit Hilfe von zwei an Lagerteile an den geometrischen Wellenlängsenden angrenzend und in Richtung der Wellenachse diagonal in Bezug auf das geometrische Wellenzentrum gegenüberliegend angeordneten Ausgleichsgewichten eine exzentrische Massenverteilung vorgesehen ist.The invention relates to a balance shaft for compensating inertia forces and/or inertia moments in internal combustion engines of the reciprocating piston type, in which an eccentric mass distribution is provided with the aid of two balance weights arranged adjacent to bearing parts at the geometric longitudinal shaft ends and diagonally opposite one another in the direction of the shaft axis with respect to the geometric shaft center.
Eine solche Ausgleichswelle wird beschrieben in DE 4412476 A 1. Für die Lagerung im Maschinengehäuse weisen die Ausgleichswellen Lagerzapfen an den beiden Wellenlängsenden auf. An dem einen Lagerzapfen wird in der Regel ein Antriebsrad angebracht. Je nach Aufgabenstellung (Ausgleich von Massenmomenten oder Massenkräften) werden die Ausgleichswellen mit gleicher oder doppelter Drehzahl der Kurbelwelle der jeweiligen Maschine angetrieben. Die Ausgleichswellen werden oft im Motorengehäuse der Maschine untergebracht. Wenn eine Position unterhalb eines dort vorhandenen Ölbadspiegels erforderlich ist, wird die Ausgleichswelle zur Verringerung von Pflanschverlusten mit einer zylindrischen Hülle umschlossen.Such a balance shaft is described in DE 4412476 A 1. For storage in the machine housing, the balance shafts have bearing journals on both longitudinal shaft ends. A drive gear is usually attached to one of the bearing journals. Depending on the task (balancing of mass moments or mass forces), the balance shafts are driven at the same or twice the speed of the crankshaft of the respective machine. The balance shafts are often housed in the engine housing of the machine. If a position below an existing oil bath level is required, the balance shaft is enclosed in a cylindrical casing to reduce flange losses.
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Im Bekannten wird angestrebt, die Ausgleichswelle möglichst steif zu gestalten, um Störungen durch die wellen-eigenen Biegeschwingungen zu vermeiden. Aus diesem Grunde werden separat bearbeitete Achszapfen in achsgleich fluchtende Bohrungen am jeweiligen Wellenlängsende fest eingefügt. Ferner wird vorgesehen, die Ausgleichsgewichte einstückig als Teil der Ausgleichswelle auszubilden. Die Ausgleichsgewichte können gegebenenfalls auch fest mit der Innenwand der vorgenannten Hülle verbunden werden.The aim is to make the balance shaft as rigid as possible in order to avoid interference caused by the shaft's own bending vibrations. For this reason, separately machined axle journals are firmly inserted into axially aligned holes at the respective longitudinal end of the shaft. It is also planned to form the balance weights as a single piece as part of the balance shaft. The balance weights can also be firmly connected to the inner wall of the aforementioned casing if necessary.
Ausgleichswellen sind wirksam aufgrund ihres Gewichts. Dieses Gewicht und die zum Betrieb der Welle erforderliche Antriebsleistung haben einen zusätzlichen Energieverbrauch zur Folge. Der Erfindung liegt demgemäß das erste Ziel zugrunde, ein Optimum zwischen eingesetztem Gewicht und dadurch erreichtem Ausgleich von Massenmomenten bzw. -kräften zu erzielen.Balance shafts are effective due to their weight. This weight and the drive power required to operate the shaft result in additional energy consumption. The invention is therefore based on the first aim of achieving an optimum between the weight used and the balancing of mass moments or forces achieved as a result.
Nach einer der Erfindung zugrundeliegenden Erkenntnis, können durch die Geometrie der jeweiligen Ausgleichswelle bzw. der darin exzentrisch angeordneten Ausgleichsgewichte auch unerwünschte zusätzliche Schwingungskräfte in der jeweiligen Maschine erzeugt werden. Diese Schwingungskräfte hängen ab von dem Eigenfrequenzverhalten der Ausgleichswelle und deren Teilen. Ein weiteres der Erfindung zugrundeliegendes Ziel besteht darin, die Eigenschwingungen so zu dämpfen, daß die erstrebte Laufruhe hierdurch nicht nachteilig gestört wird.According to a finding underlying the invention, the geometry of the respective balance shaft or the balancing weights arranged eccentrically therein can also generate undesirable additional vibration forces in the respective machine. These vibration forces depend on the natural frequency behavior of the balance shaft and its parts. Another aim underlying the invention is to dampen the natural vibrations in such a way that the desired smooth running is not adversely affected.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu überwinden und die Ziele zu erreichen. Die erfindungsgemäße Lösung wird im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 beschrieben. Einige Verbesserungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.The invention is based on the task of overcoming the aforementioned disadvantages and achieving the objectives. The inventive solution is described in the characterizing part of claim 1. Some improvements and further developments of the invention are specified in the subclaims.
Der Kern der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß auch innerhalb jedes Ausgleichsgewichts eine in Bezug auf dessen geometrische Mitte exzentrische Massenverteilung vorgesehen wird, wobei der Massenschwerpunkt jedes Ausgleichsgewichts zwischen dessen geometrischer Mitte und dem angrenzenden Wellenlängsende liegen soll. Nach der Erfindung wird also davon abgegangen, die Aus-The essence of the present invention is that within each balancing weight an eccentric mass distribution is provided in relation to its geometric center, whereby the center of mass of each balancing weight should lie between its geometric center and the adjacent longitudinal shaft end. According to the invention, the distribution
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gleichsgewichte mit auf der Wellenlänge in sich in Richtung der Wellenachse überall gleicher Massenverteilung auszubilden. Vorzugsweise wird die Geometrie der Ausgleichsgewichte so bestimmt, daß sich die Schwerpunkte der auch als Unwuchten zu bezeichnenden Ausgleichsgewichte nach außen (zu den Lagern) hin verteilen; in diesem Sinne wird als Schwerpunkt des einzelnen Ausgleichsgewichts der Angriffspunkt der jeweiligen Kraft verstanden.balancing weights with the same mass distribution along the shaft length in the direction of the shaft axis. The geometry of the balancing weights is preferably determined in such a way that the centers of gravity of the balancing weights, also known as unbalanced masses, are distributed outwards (towards the bearings); in this sense, the center of gravity of the individual balancing weight is understood to be the point of application of the respective force.
Allein dadurch, daß man innerhalb jedes Ausgleichsgewichts eine in Bezug auf das einzelne Ausgleichsgewicht exzentrische Massenverteilung mit über die geometrische Mitte des jeweiligen Ausgleichsgewichts in Richtung auf das Wellenlängsende verschobenem Schwerpunkt wählt, läßt sich erfindungsgemäß ein Optimum von eingesetztem Gewicht und dadurch erreichbarem Ausgleich der von der Kolbenbewegung herrührenden Unwucht bei auf ein nicht störendes Maß gedämpften Eigenschwingungen der Ausgleichsgewichte erzielen. Mit anderen Worten: Das durch die Erfindung erstrebte Ziel wird durch eine mit von den Längsenden zur Mitte abnehmender Dichte entsprechend ungleiche Massenverteilung durch stoffliche Inhomogenität der Ausgleichsgewichte und/oder durch eine entsprechend ungleiche Geometrie erreicht.Simply by selecting an eccentric mass distribution within each balancing weight with respect to the individual balancing weight, with the center of gravity shifted over the geometric center of the respective balancing weight in the direction of the longitudinal end of the shaft, it is possible according to the invention to achieve an optimum of weight used and thus achievable compensation of the imbalance resulting from the piston movement with the natural vibrations of the balancing weights damped to a non-disturbing level. In other words: the aim sought by the invention is achieved by a correspondingly uneven mass distribution with a density decreasing from the longitudinal ends to the center due to material inhomogeneity of the balancing weights and/or by a correspondingly uneven geometry.
Eine im Rahmen der Erfindung bevorzugte Geometrie der Ausgleichsgewichte läßt sich beschreiben, in dem man sagt, der Querschnitt des einzelnen Ausgleichsgewichts nehme in Richtung von dem geometrischen Wellenzentrum zum an das Ausgleichsgewicht angrenzenden Wellenlängsende zu. Vorzugsweise wird im Rahmen der Erfindung eine stetige Zunahme des Querschnitts vorgesehen. Die entsprechende Steigung, mit der sich der Querschnitt des einzelnen Ausgleichsgewichts in Wellenlängsrichtung verändern soll, hängt von den diversen für den jeweiligen Motor typischen Kräften und Frequenzen ab. Die Steigung läßt sich beispielsweise durch iterative Methoden ermitteln. In Ausführungsbeispielen ergaben sich bei stetiger Neigung Steigungen (Kernwinkel) in der Größenordnung von 2-20 °, bevorzugt 4-10°.A preferred geometry of the balancing weights within the scope of the invention can be described by saying that the cross section of the individual balancing weight increases in the direction from the geometric shaft center to the longitudinal shaft end adjacent to the balancing weight. Preferably, within the scope of the invention, a continuous increase in the cross section is provided. The corresponding gradient with which the cross section of the individual balancing weight should change in the longitudinal shaft direction depends on the various forces and frequencies typical for the respective motor. The gradient can be determined, for example, using iterative methods. In exemplary embodiments, gradients (core angles) in the order of 2-20°, preferably 4-10°, were obtained with a constant gradient.
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Allein durch die beanspruchte Geometrie der als Unwuchten wirkenden Ausgleichsgewichte selbst kann erfindungsgemäß die erstrebte Konformität zwischen geringem Gewicht und zu erreichendem Gegenmoment bei nicht störendem Eigenfrequenzverhalten erhalten werden. Gegebenenfalls kann das einzelne Ausgleichsgewicht in sich stofflich homogen sein.According to the invention, the desired conformity between low weight and counter-torque to be achieved with non-disturbing natural frequency behavior can be achieved solely through the stressed geometry of the balancing weights acting as unbalanced masses. If necessary, the individual balancing weight can be materially homogeneous.
Die durch die Erfindung erstrebte Verminderung desjenigen Gewichts, das zum Ausgleich der Schwerungskräfte der jeweiligen Maschine ausreicht, wird dadurch bei dem geometrischen Ausgleich - deutlich, daß es in der Regel genügt, wenn der größte Querschnitt des Ausgleichsgewichts etwa gleich dem halben Querschnitt der Ausgleichswelle ist.The reduction in the weight required to compensate for the gravitational forces of the respective machine, which is the aim of the invention, becomes clear in the geometric compensation - that it is usually sufficient if the largest cross-section of the balancing weight is approximately equal to half the cross-section of the balancing shaft.
Erfindungsgemäß können die Ausgleichsgewichte einstückig an die Innenfläche einer außen zylindrischen Hülle angeformt werden. Eine solche Hülle dient bekanntlich dazu, Pflanschverluste in der Ölwanne eines Motors zu verringern. Im Rahmen der Erfindung kann die Hülle als Rohr mit massiver Wand die Steifigkeit bzw. Gestaltsfestigkeit der ganzen Ausgleichswelle bestimmen. Dadurch wird eine entsprechend große Freiheit erhalten, die Ausgleichsgewichte selbst im Sinne der Lösung der eingangs erwähnten Aufgabe auszubilden.According to the invention, the balancing weights can be molded in one piece onto the inner surface of an externally cylindrical casing. Such a casing is known to be used to reduce plant losses in the oil pan of an engine. Within the scope of the invention, the casing can be a tube with a solid wall that determines the rigidity or structural strength of the entire balancing shaft. This provides a correspondingly large degree of freedom to design the balancing weights themselves in the sense of solving the problem mentioned at the beginning.
Wenn eine solche außen zylindrische Hülle die Ausgleichsgewichte umschließt, sollen letztere an der Innenfläche der Hülle einstückig anliegen. Innerhalb der Hülle verbleiben daher neben den Ausgleichsgewichten Hohlräume. Gemäß weiterer Erfindung wird zwischen den beiden neben den bevorzugt diagonal gegenüberliegenden Ausgleichsgewichten entstehenden Hohlräumen im Bereich der kleinsten Querschnitte der Ausgleichsgewichte - also im Bereich der größten Querschnitte der Hohlräume - eine offene Durchgangsverbindung (ein Loch bzw. eine Bohrung) zwischen den beiden Hohlräumen vorgesehen. Vorzugsweise soll der Lochquerschnitt zwischen den beiden Hohlräumen klein gegen den Querschnitt der angrenzenden Hohlräume sein. Dadurch wird das Innere der Ausgleichswelle kastenförmig, wie ein Bambusrohr, unterteilt und erhält eine trotz geringer Wandstärke hoheIf such an externally cylindrical casing encloses the balancing weights, the latter should lie in one piece on the inner surface of the casing. Within the casing, therefore, cavities remain next to the balancing weights. According to a further invention, an open through connection (a hole or a bore) is provided between the two cavities that arise next to the balancing weights, preferably diagonally opposite each other, in the area of the smallest cross-sections of the balancing weights - i.e. in the area of the largest cross-sections of the cavities. Preferably, the hole cross-section between the two cavities should be small compared to the cross-section of the adjacent cavities. This divides the interior of the balancing shaft into a box-shaped section, like a bamboo tube, and provides a high level of air flow despite the low wall thickness.
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Steifigkeit mit dem Ergebnis, daß die Amplituden der Eigenfrequenzen der Welle weiter - auf ein kaum noch merkliches Maß - herabgesetzt werden.Stiffness with the result that the amplitudes of the natural frequencies of the shaft are further reduced to a barely noticeable level.
Im Rahmen der Erfindung wird es bevorzugt, die Ausgleichswelle einstückig aus Gußeisen, vorzugsweise GGG-70, herzustellen. Das hat nicht nur Vorteile betreffend den Herstellungsaufwand sondern materialbegründet auch betreffend die Dämpfung von Eigenschwingungen (Verminderung eventueller Lärmbelastung) der Ausgleichswelle bzw. von deren Ausgleichsgewichten.Within the scope of the invention, it is preferred to manufacture the balance shaft in one piece from cast iron, preferably GGG-70. This not only has advantages in terms of manufacturing costs but also, due to the material, in terms of damping natural vibrations (reducing possible noise pollution) of the balance shaft or its balance weights.
Anhand der schematischen Zeichnung von Ausführungsbeispielen werden Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:Details of the invention are explained using the schematic drawing of exemplary embodiments. They show:
Fig. 1 einen Schnitt (längs der Wellenachse) durch eine erfindungsgemäßeFig. 1 shows a section (along the shaft axis) through an inventive
Ausgleichswelle; undbalance shaft; and
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung wesentlicher Teile der Welle nachFig. 2 is a perspective view of essential parts of the shaft according to
Die insgesamt mit 1 bezeichnete Ausgleichswelle nach Fig. 1 und 2 besitzt Achszapfen 2 und 3, die in achsgleich fluchtenden Bohrungen 4 am jeweiligen Wellenende fest eingefügt sind. Die Ausgleichswelle 1 weist diagonal gegenüberliegende Ausgleichsgewichte 5 und 6 innerhalb einer außen zylindrischen Hülle 7 (Rohr) und einstückig mit dieser auf. Der in der Zeichnung linke Achszapfen 2 trägt neben der Lagerstelle ein Antriebselement 8, z.B. Zahnrad. Die Achszapfen 2 und 3 sowie die Außenfläche der Hülle 7 sind rotationssymmetrisch in Bezug auf Wellenachse 9.The balance shaft, designated as 1 in Fig. 1 and 2, has axle journals 2 and 3, which are firmly inserted into axially aligned holes 4 at the respective shaft end. The balance shaft 1 has diagonally opposite balancing weights 5 and 6 within an externally cylindrical casing 7 (tube) and in one piece with it. The axle journal 2 on the left in the drawing carries a drive element 8, e.g. a gear, in addition to the bearing point. The axle journals 2 and 3 and the outer surface of the casing 7 are rotationally symmetrical with respect to the shaft axis 9.
Erfindungsgemäß ist innerhalb jedes als Unwucht wirkenden Ausgleichsgewicht 5, 6 eine in Bezug auf dessen in Richtung der Wellenachse 9 gemessene geometrische Länge L exzentrische Massenverteilung vorgesehen, wobei der Schwerpunkt S jedes Ausgleichsgewichts 5, 6 - wie in Fig. 1 dargestellt - zwischen der geometrischen Mitte M von dessen Länge L und dem angrenzenden Lagerteil 10, 11 liegt. Die beiden Ausgleichsgewichte 5, 6 reichen definitionsgemäß bis an die LagerteileAccording to the invention, an eccentric mass distribution is provided within each balancing weight 5, 6 acting as an unbalance in relation to its geometric length L measured in the direction of the shaft axis 9, with the center of gravity S of each balancing weight 5, 6 - as shown in Fig. 1 - lying between the geometric center M of its length L and the adjacent bearing part 10, 11. The two balancing weights 5, 6 extend, by definition, to the bearing parts
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10, 11 heran. Ihre Länge L wird zwischen dem geometrischen Wellenzentrum Z und der jeweiligen Grenze zum Lagerteil 10 oder 11 gemessen. Im Ausführungsbeispiel nimmt der Querschnitt des einzelnen Ausgleichsgewichts 5, 6 in Richtung von dem geometrischen Wellenzentrum Z zum jeweiligen Wellenlängsende am Lagerteil 10, 11, vorzugsweise stetig, zu. Dabei steigt der Querschnitt des einzelnen Ausgleichsgewichts 5, 6 von einem Minimum im Bereich des geometrischen Wellenzentrums Z bis auf maximal etwa den halben Wellenquerschnitt - in der Nähe der Wellenlängsenden bzw. angrenzend an den Übergang zu den Lagerteilen 10, 11 -an.10, 11. Their length L is measured between the geometric shaft center Z and the respective boundary to the bearing part 10 or 11. In the exemplary embodiment, the cross-section of the individual balancing weight 5, 6 increases in the direction from the geometric shaft center Z to the respective shaft longitudinal end on the bearing part 10, 11, preferably continuously. The cross-section of the individual balancing weight 5, 6 increases from a minimum in the area of the geometric shaft center Z to a maximum of about half the shaft cross-section - near the shaft longitudinal ends or adjacent to the transition to the bearing parts 10, 11.
Wie gesagt, werden die Ausgleichsgewichte 5, 6 bevorzugt einstückig an die Innenfläche 12 der außen zylindrischen Hülle 7 angeformt. Zum Definieren von Schwingungsknoten und damit zum Beeinflussen bzw. Verbessern des Eigenfrequenzverhaltens der Ausgleichswelle 1 kann es in diesem Zusammenhang günstig sein, wenn zwischen den beiden neben den Ausgleichsgewichten 5, 6 innerhalb der rohrförmigen Hülle 7 verbleibenden Hohlräumen 13, 14 im Bereich der kleinsten Querschnitte der Ausgleichsgewichte 5, 6 - also im Bereich des geometrischen Wellenzentrums Z - eine offene Durchgangsverbindung bzw. ein Loch 15 vorgesehen wird. Der Lochdurchmesser soll dabei - speziell zum Verbessern des Eigenfrequenzverhaltens - wesentlich kleiner als die Summe der in diesem Bereich maximalen Querschnitte der Hohlräume 13, 14 sein. Für die Verbesserung des Eigenfrequenzverhaltens kann es auch günstig sein, die Kanten 16 und 17 der Ausgleichsgewichte 5, 6 angrenzend an das geometrische Wellenzentrum Z bzw. angrenzend an die zur Aufnahme der Achszapfen 2, 3 vorgesehenen Bohrung 4 in der in Fig. 1 im Prinzip dargestellten Weise abzurunden.As mentioned, the balancing weights 5, 6 are preferably formed in one piece onto the inner surface 12 of the externally cylindrical casing 7. In order to define vibration nodes and thus to influence or improve the natural frequency behavior of the balancing shaft 1, it can be advantageous in this context if an open through connection or a hole 15 is provided between the two cavities 13, 14 remaining next to the balancing weights 5, 6 within the tubular casing 7 in the area of the smallest cross sections of the balancing weights 5, 6 - i.e. in the area of the geometric shaft center Z. The hole diameter should be significantly smaller than the sum of the maximum cross sections of the cavities 13, 14 in this area - especially to improve the natural frequency behavior. To improve the natural frequency behavior, it may also be advantageous to round off the edges 16 and 17 of the balancing weights 5, 6 adjacent to the geometric shaft center Z or adjacent to the bore 4 intended to accommodate the axle journals 2, 3 in the manner shown in principle in Fig. 1.
Eine Ausgleichswelle 1 in der dargestellten Form wurde in einem Versuch aus Gußeisen GGG-70 hergestellt. Die Länge der Ausgleichswelle 1 - gemessen über die die Bohrung 4 aufnehmenden Lagerteile 10, 11 - betrug 240 mm. Der Durchmesser der Hülle 7 betrug 63 mm. Die Wandstärke der Hülle 7 betrug 9 mm. Die lichte Weite der Bohrung 4 betrug 17 mm. Die in Richtung der Wellenachse 9 gemessene Stärke der die Bohrung 4 aufnehmenden Längsenden 10, 11 betrug 23A balance shaft 1 in the form shown was manufactured in a test from cast iron GGG-70. The length of the balance shaft 1 - measured over the bearing parts 10, 11 receiving the bore 4 - was 240 mm. The diameter of the casing 7 was 63 mm. The wall thickness of the casing 7 was 9 mm. The inside width of the bore 4 was 17 mm. The thickness of the longitudinal ends 10, 11 receiving the bore 4, measured in the direction of the shaft axis 9, was 23
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mm. Der Kernwinkel K, der die Neigung der Ausgleichsgewichte 5, 6 zwischen Wellenachse 9 und Innenfläche 18 der Ausgleichsgewichte 5, 6 beschreibt, betrug 6 °. Der Durchmesser des im Ausführungsbeispiel im wesentlichen kreisförmigen Lochs 15 im Bereich des geometrischen Wellenzentrums Z betrug 20 mm.mm. The core angle K, which describes the inclination of the balancing weights 5, 6 between the shaft axis 9 and the inner surface 18 of the balancing weights 5, 6, was 6°. The diameter of the essentially circular hole 15 in the exemplary embodiment in the area of the geometric shaft center Z was 20 mm.
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