DE69916957T2

DE69916957T2 - Drehelastisches Kettenrad für Balancierwellenantrieb

Info

Publication number: DE69916957T2
Application number: DE69916957T
Authority: DE
Inventors: Philip J Dryden Mott
Original assignee: BorgWarner Inc; Borg Warner Automotive Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 1998-09-17
Filing date: 1999-09-01
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2019-09-02
Also published as: US6253633B1; US6109227A; EP0987472A2; DE69916957D1; EP0987472A3; EP0987472B1; JP2000154851A; JP4618832B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Isolierung von Schwingungen in rotierenden Vorrichtungen. Insbesondere findet diese Erfindung spezielle Anwendung bei Motor-Zeitsteuersystemen mit zwei Kettenrädern, die Seite an Seite in unmittelbarer Nähe auf einer rotierenden Welle angeordnet sind. Diese Erfindung stellt ein torsionselastisches Kettenradsystem zur Verfügung, das Torsionskräfte und -schwingungen von der Welle absorbiert.
Motor-Zeitsteuersysteme umfassen typischerweise mindestens ein treibendes Kettenrad, das auf der Motor-Kurbelwelle angeordnet ist, und mindestens ein getriebenes Kettenrad auf einer Motor-Nockenwelle. Die Drehung der Kurbelwelle bewirkt die Drehung der Nockenwelle durch ein endloses Leistungskettengetriebe.
Kompliziertere Zeitsteuersysteme verbinden eine Kurbelwelle mit zwei oder mehr Wellen durch ein Kettenpaar. Die Kurbelwelle umfasst zwei Kettenräder. Jede Kette ist mit einem oder mehreren getriebenen Kettenrädern einschließlich Kettenrädern auf jeder der beiden obenliegenden Nockenwellen verbunden. Typischerweise umfassen die Kettensysteme in komplizierteren Motor-Zeitsteuersystemen Kettenspanner auf der losen Seite jeder Kette, um die Kettenspannung aufrechtzuerhalten, und Dämpfer auf der gespannten Seite jeder Kette, um die Kettenbewegung im Betrieb zu steuern.
Einige Motor-Zeitsteuersysteme haben zwei (oder doppelte) obenliegende Nockenwellen für jede Zylinderbank. Die doppelten Nockenwellen an einer einzigen Bank können beide durch Verbindung mit derselben Kette gedreht werden. Stattdessen kann die zweite Nockenwelle durch einen zusätzlichen Kettentrieb von Nockenwelle zu Nockenwelle gedreht werden. Der Kettentrieb von Nockenwelle zu Nockenwelle kann auch einen einzelnen oder zwei Kettenspanner für die Kettensteuerung umfassen.
Einige Motorsysteme wie Dreizylindermotoren sind aufgrund der Anzahl der Zylinder und der Anordnung der Zylinder von Hause aus unausgeglichen. In diesen Motoren werden Ausgleichswellen dazu verwendet, das Ungleichgewicht des Motors auszugleichen. Da die Ausgleichswellen von der Kurbelwelle angetrieben werden, können Torsionsschwingungen und -oszillationen längs der Kurbelwelle auf die Ausgleichswellen und durch den Kettentrieb hindurch übertragen werden und unnötig hohe Kettenspannungen im gesamten Motor-Zeitsteuersystem und Nebenaggregatsantrieb zeugen.
Die drehende Kurbelwelle kann Resonanzschwingungen bei bestimmten Frequenzen unterliegen. Da die Ausgleichswellen mit der Kurbelwelle durch eine oder mehrere Ausgleichswellenketten verbunden sind, sind die Ausgleichswellen diesen extremen Resonanztorsionsschwingungen unmittelbar ausgesetzt. Resonanzschwingungen der Kurbelwelle werden häufig durch das gesamte System hindurch einschließlich der Ausgleichswellen übertragen und können die Belastung der Systeme und Komponenten signifikant erhöhen, das Geräusch vom Motor erhöhen und Verschleiß und Ermüdungsbelastung der Zahnketten und Komponenten erhöhen.
Herkömmliche Lösungsansätze für dieses Problem konzentrieren sich auf die Verringerung von Drehstörungen der Kurbelwelle mittels interner Vorrichtungen wie Lanchaster-Dämpfern und harmonischen Ausgleichsgliedern. Externe Vorrichtungen wie fluidische Motorlagerungen und Motorlagerungen mit verstellbaren Dämpfungseigenschaften sind ebenfalls eingesetzt worden. Im Gegensatz hierzu konzentriert sich die vorliegende Erfindung auf die Absorption der Torsionsschwingungen einer Kurbelwelle durch Verwendung eines drehelastischen Kettenradsystems auf der Kurbelwelle, um die Torsionsschwingungen der Kurbelwelle zu absorbieren und ihre Übertragung auf andere Teile des Motorsystems zu verhindern.
Einige vorbekannte Zeitsteuersysteme verwenden ein Gummidämpferteil, das gegen ein Kettenrad angeordnet und mit der Welle verschraubt wird, um Schwingungen zu absorbieren. Das Gummidämpferteil kann jedoch aufgrund der extremen Resonanzschwingungen brechen. Andere Zeitsteuersysteme verwenden ein Gewicht, das auf der Welle angeordnet und von einer Tellerfeder gegen das Kettenrad gehalten wird. Reibmaterial wird auch in dem Kontaktbereich zwischen dem Kettenrad und dem Gewicht angeordnet, um Schwingungen zu absorbieren. Diese Systeme haben, wenngleich sie hinsichtlich der Dämpfung effektiv sind, Nachteile hinsichtlich Produktion, Zusammenbau und Lebensdauer.
Ein Beispiel der oben beschriebenen vorbekannten Schwingungsdämpfungstechniken findet sich in Wojcikowski, US-A-4 317 388, das am 02. März 1982 erteilt wurde. Dieses Patent offenbart ein Zahnrad mit geteilten Dämpferringen eines Durchmessers, der geringfügig kleiner als das Zahnrad ist, das mit jeder Seite des Zahnrades mittels einer konischen Schrauben-Mutter-Anordnung verschraubt ist. Durch Anziehen der Schraube wird der Dämpfring nach außen verschoben, wodurch Druck am Umfang gegen den Rand des Zahnrades erzeugt und Zugspannungen am Zahnrad hervorgerufen werden. Außerdem werden durch Anziehen der Schrauben die elastomeren Tellerfedern, die der Schrauben-Mutter-Anordnung zugeordnet sind, fest gegen den Steg des Zahnrades gepresst, was die Spannungswelle, welche vom Rand durch den Steg und in die Welle läuft, dämpft. Im Gegensatz zu dieser vorbekannten Konstruktion verwendet die vorliegende Erfindung eine neuartige Anordnung von Kettenrädern, um eine drehelastische Kettenradanordnung zu erzeugen und dadurch die Übertragung von Schwingungen der Kurbelwelle auf andere Teile des Motorsystems zu reduzieren.
Ein anderes Beispiel der oben erwähnten vorbekannten Dämpfungstechniken ist Funashashi, US-A-5 308 289, das am 03. Mai 1994 erteilt wurde. Die dort offenbarte Dämpferscheibe besteht aus einer Scheibe, die an einem Dämpfermassenteil mit einem elastischen Gummielement verbunden ist. Die Scheibe und das Dämpfermassenteil haben jeweils zwei Vorsprünge, und die Vorsprünge der Scheibe berühren die Seiten der Vorsprünge des Dämpfermassenteils. Ein zweites elastisches Gummielement ist zwischen den sich berührenden Vorsprüngen angeordnet. Biegeschwingungen von der Kurbelwelle bewirken, dass die Scheibe in der radialen Richtung schwingt und das erste elastische Gummielement sich verformt, was bewirkt, dass der dynamische Dämpfer mit der Scheibe in Resonanz gelangt und die vorhandenen Schwingungen zurückhält. Torsionsschwingungen bewirken, dass die Scheibe in Umfangsrichtung schwingt. Das zweite elastische Gummielement unterliegt einer Kompressionsverformung, was die Federkraft verringert und die Resonanzfrequenz gegenüber den Torsionsschwingungen erhöht. Die vorliegende Erfindung vermeidet die Verwendung von Gummi, die Verschleißprobleme im Betrieb haben.
Ein weiteres Beispiel einer vorbekannten Dämpfungstechnik ist Kirschner, US-A-4 254 985, das am 10. März 1981 erteilt wurde. Dieses Patent offenbart einen Dämpferring für drehende Räder, der ein viskoelastisches Dämpfungsmaterial enthält, das innerhalb einer Ringnut in der Oberfläche des Rades angeordnet ist. Ein metallischer Ring ist in der Nut an der Oberseite des Dämpfungsmaterials angeordnet. Im Betrieb unterliegt das Dämpfungsmaterial Scherverformungen.
Die WO 99/43965 offenbart eine elastische Kupplung mit einer kreisförmigen Wendelfeder, die in einem Ringraum zwischen einer Welle und einem Kettenrad angeordnet ist, wobei ein Ende der Feder mit dem Kettenrad und das andere Ende mit der Welle verbunden ist. Ein Reibring ist zwischen der Feder und dem Kettenrad angeordnet, woran die Feder angreift bei einer Relativdrehung zwischen dem Kettenrad und der Welle in der Weise, dass die Feder abgewickelt wird, um den Reibeingriff zu erhöhen und Relativverschiebungen zwischen der Welle und dem Kettenrad somit zu dämpfen.
Weitere Kettenradkupplungssysteme werden auch in DE 44 21 637 und CH 129661 beschrieben, von denen der Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgeht.
In einem Motor-Zeitsteuersystem verbindet eine endlose Kette ein treibendes Kettenrad auf der Kurbelwelle mit einem getriebenen Kettenrad auf einer Nockenwelle. Durch Drehen des getriebenen Kettenrad wird die Kette vorwärtsbewegt, was das getriebene Kettenrad und die Nockenwelle dreht. Torsionsschwingungen entstehen in dem System und werden längs der Kurbelwelle übertragen, die mit einer nicht konstanten Drehzahl umläuft. Diese Schwingungen können in Resonanzzuständen extrem groß sein. Um diese Schwingungen zu absorbieren und die Übertragung dieser Schwingungen auf eine Teile des Motors zu minimieren, verwendet die vorliegende Erfindung eine drehelastische Kettenradanordnung, die längs der Kurbelwelle angeordnet ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein drehelastisches Kettenradsystem gemäß Anspruch 1 vorgesehen.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Motor-Zeitsteuersystem mit einem drehelastischen Kettenradsystem nach der Erfindung, bei dem das zweite Kettenrad ein Kettenrad zum Antrieb einer Kurbelwelle und das erste Kettenrad ein Kettenrad zum Antrieb einer Balancierwelle bildet und die Welle eine Kurbelwelle des Systems bildet, wobei eine Nockenwelle mit einem Nockenwellen-Kettenrad versehen ist, eine erste Zahnkette das Kurbelwellen-Kettenrad mit dem Nockenwellen-Kettenrad verbindet, eine Balancierwelle mit mindestens einem getriebenen Kettenrad versehen ist und eine zweite Zahnkette das die Balancierwelle antreibende Kettenrad und das von der Balancierwelle angetriebene Kettenrad treibend miteinander verbindet.
Bei der Erfindung wird die planare Torsionsfeder in Anlagekontakt mit dem treibenden Kettenrad auf seiner einen Seite und dem zweiten Kettenrad auf seiner anderen Seite gehalten. Die planare Torsionsfeder bewegt sich jedoch unabhängig von den beiden Kettenrädern. Bewegungen der planaren Torsionsfeder haben die Wirkung, die Torsionsschwingungen der Kurbelwelle zu absorbieren und ihre Übertragung auf die Spannung der Ausgleichswellenkette und des Ausgleichswellentriebes zu verhindern. Die planare Torsionsfeder dient dazu, das treibende Kettenrad gegenüber der Ausgleichswelle zu isolieren, ohne die Integrität des Antriebs zu beeinträchtigen.
Für ein ausreichendes Verständnis der Erfindung werden nun einige beispielhaft gegebene Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
1 eine schematische Ansicht eines Motorsystems ist, das die drehelastische Kettenradanordnung der vorliegenden Erfindung enthält;
2 eine Explosionsdarstellung der drehelastischen Kettenradanordnung der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 in 4 ist, die die drehelastische Kettenradanordnung auf der Kurbelwelle darstellt;
4 eine Draufsicht auf das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel ist, welche die Kettenradanordnung darstellt.
Ein Beispiel eines Mehrachsen-Zeitsteuersystems, bei dem die vorliegende Erfindung verwendet wird, ist in 1 schematisch dargestellt. Die Kettenräder können entweder einzelne Einheiten oder Kettenradpaare sein, wobei die Paare ausgerichtete Zähne oder um einen Zahnabschnitt phasenversetzte Zähne haben. In Phase angeordnete Kettenrad-Kettenanordnungen sind in dem US-Patent Nr. 5 427 580 beschrieben.
Die Kurbelwelle 100 liefert einen Leistungsoutput durch das Kettenrad 102 und das Kettenradpaar 104. Das Kurbelwellen-Kettenradpaar 104, das Kettenräder 103 und 105 umfasst, trägt die Last bzw. überträgt Leistung auf Kettenanordnungen (oder Kettenpaare) 106. Die Kettenanordnungen 106 bilden den primären Antrieb der beiden oben liegenden Nockenwellen 108 und 110. Die Nockenwelle 108 umfasst zwei phasenversetzte Kettenräder 112, und die Nockenwelle 110 umfasst ferner zwei phasen versetzte Kettenräder 114. Die Kettenanordnungen 106 treiben ferner leerlaufende Kettenräder 116 an, die in Phase oder auch phasenversetzt sein können.
Das zweite Kurbelwellen-Kettenrad 102 ist ein Ausgleichswellen-Antriebskettenrad, das eine Leistungsübertragung durch die Kette 120 auf zwei Ausgleichswellen 122, 124 und eine leerlaufende Welle 126 sowie auf einen Nebenaggregatsantrieb 128 wie z. B. einen Ölpumpenantrieb bewirkt. Die Kette 120 überträgt somit Leistung von dem Ausgleichswellen-Kettenrad 102 der Kurbelwelle auf ein erstes Kettenrad 130 auf der Ausgleichswelle 124 und ein zweites Kettenrad 132 auf der Ausgleichswelle 122. Die Kette treibt ferner das Leerlaufkettenrad 134 auf der leerlaufenden Welle 126 und das Nebenaggregat-Kettenrad 136 auf dem Nebenaggregatsantrieb 128 an. Das Ausgleichswellen-Antriebssystem kann zwei Ketten statt der einzigen Kette 120 und zwei Kettenräder statt des einzigen Kettenrades 102 umfassen. Bei einem derartigen System würde eine Kette der beiden Ketten vorzugsweise das Leerlaufkettenrad antreiben, während die andere Kette des Kettenpaares den Nebenaggregatsantrieb antreiben würde.
Die Kettenanordnungen des Mehrachsen-Kettenantriebssystems, das in 1 gezeigt ist, verwenden herkömmliche Dämpfer und Spannvorrichtungen, um die Spannung und seitliche Führung in verschiedenen Abschnitten des Kettenantriebes aufrechtzuerhalten. Solche Vorrichtungen sind den Fachleuten in der Kettentechnik bekannt.
Bei diesem System sind die Kurbelwelle selbst und das auf der Kurbelwelle gelagerte treibende Kettenrad Torsionskräften und -schwingungen ausgesetzt und können bei bestimmten Frequenzen in Resonanz geraten. Schwingungen aus dem Resonanzzustand werden aufgrund der Verbindung verschiedener Komponenten des Systems durch das System hindurch übertragen. Da die Ausgleichswellen mit der Kurbelwelle durch eine Kette verbunden sind, sind die Ausgleichswellen Kurbelwellen-Torsionsoszillationen und -schwingungen unmittelbar ausgesetzt.
Die 2, 3 und 4 zeigen ein drehelastisches Kettenradsystem mit Kurbelwellen-Antriebskettenrädern 3 und 5 des Kettenradpaares 4. Das Kettenradpaar 4 entspricht dem Kettenradpaar 104, das in 1 dargestellt ist. Das Kurbelwellen-Antriebskettenrad 2 treibt die Ausgleichswellen an. Das Kettenrad 2 entspricht dem Ket tenrad 102 in 1. Die Kettenräder sind in 2 ohne die einzelnen Kettenradzähne schematisiert dargestellt.
Die Kurbelwellen-Kettenräder 3, 5 können herkömmliche Kettenräder mit evolventen Verzahnungen sein. Die treibenden Kurbelwellen-Kettenräder 3, 5 sind auf einer Nabe 20 gelagert. Die Kettenräder 3, 5 sind auf der Nabe 20 durch irgendwelche geeigneten Befestigungsmittel wie z. B. Schweißungen, Leisten oder Nuten angebracht. Zwei Ketten sind auf Zähnen 21, 23 der Kettenräder 3, 5 angeordnet, welche die Kurbelwelle mit der Nockenwelle verbinden. Die Größe und Abmessungen des treibenden Kettenrades hängen vom Motor und der Konfiguration des Systems ab.
Die drehelastische Kettenradanordnung umfasst ferner ein Ausgleichswellen-Antriebskettenrad 2, das ebenfalls auf der Nabe 20 gelagert ist. Das Ausgleichswellen-Antriebskettenrad 2 kann irgendein herkömmliches Kettenrad sein, dessen Abmessungen von der Konfiguration des Systems und den Leistungsanforderungen abhängen. Dieses Kettenrad ist ebenfalls auf der Nabe 20 gelagert und umfasst eine zentrale Öffnung 7, um eine Verbindung der Naben-Kettenrad-Anordnung mit der Kurbelwelle zu ermöglichen. Eine Kette ist um die Zähne 11 des Kettenrades 2 herum angeordnet und verbindet die Kettenräder auf den Ausgleichswellen treibend miteinander.
Die planare Torsionsfeder 15, die in 2 dargestellt ist, ist so dimensioniert, dass sie zwischen das Ausgleichswellen-Kettenrad 2 und die Nabe 20 passt. Die planare Torsionsfeder ist in der Lage, sich unabhängig von den beiden Kettenrädern zu bewegen. Die planare Torsionsfeder dient dazu, die Schwingungen und die Torsionskräfte von der Kurbelwelle zu absorbieren.
Die planare Torsionsfeder 15 kann um die Kurbelwelle herum in beliebiger Weise angeordnet werden, vorausgesetzt, dass sie zwischen dem Kettenrad und der Nabe liegt. Vorzugsweise wird die planare Torsionsfeder kreisförmig um die Kurbelwelle in Spiralform gewickelt. Ein erstes Ende 17 der planaren Torsionsfeder 11 ist an dem Ausgleichswellen-Kettenrad 2 durch irgendwelche bekannten Mittel befestigt; vorzugsweise ist es jedoch in einen Schlitz 19 eingepasst, der in der Seite des Kettenrades gebildet ist. Das zweite Ende 21 der planaren Torsionsfeder 11 ist vorzugsweise in einen Schlitz 23 eingepasst, der in der Nabe 20 gebildet ist, wie in 2 dargestellt ist.
Im Betrieb der drehelastischen Kettenradanordnung absorbiert die planare Torsionsfeder Torsionsschwingungen der Kurbelwelle während der Drehung der Kurbelwelle. Ohne die Feder 11 werden Schwingungen in der Kurbelwelle von der Kurbelwelle durch die Nabe und Kettenräder hindurch auf die Ausgleichswellen und ihre Komponenten übertragen. Die Torsionsfeder verformt sich und ermöglicht somit Relativdrehungen zwischen dem Ausgleichswellen-Kettenrad 2 und der Nabe 20. Das Kettenrad 2 muss daher auf der Nabe gelagert werden, um eine gewisse Relativdrehung zu ermöglichen.
Die drehelastische Kettenradanordnung kann auf jeder drehenden Welle mit zwei Kettenrädern verwendet werden, die auf dieser unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind. Insbesondere kann die drehelastische Kettenradanordnung als Ausgleichsmechanismus dienen und auf jeder drehenden Welle verwendet werden, bei der die Dämpfung von Torsionskräften und -schwingungen erwünscht ist.

Claims

Drehelastisches Kettenradsystem mit: einem ersten Kettenrad (2), das längs einer Welle (20) angeordnet ist, einer planaren Torsionsfeder spiralförmiger Konfiguration (15), die zwischen dem ersten Kettenrad (2) und der Welle (20) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Kettenrad (4) längs der Welle (20) in unmittelbarer Nähe des ersten Kettenrades (2) angeordnet ist und dass die spiralförmige Konfiguration der Feder so ist, dass sie eine begrenzte Relativbewegung zwischen dem ersten Kettenrad (2) und dem zweiten Kettenrad (4) zulässt.
Drehelastische Kettenradanordnung nach Anspruch 1, bei der die planare Torsionsfeder (15) an dem ersten Kettenrad (2) befestigt ist.
Drehelastische Kettenradanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die planare Torsionsfeder (15) an der Welle (20) befestigt ist.
Drehelastische Kettenradanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die planare Torsionsfeder (15) konzentrisch um die Welle (20) herum angeordnet ist.
Drehelastische Kettenradanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste Kettenrad (2) an einer Nabe (20) angebracht ist, die längs der Welle angeordnet ist.
Drehelastische Kettenradanordnung nach Anspruch 5, bei der das zweite Kettenrad (4) an der Nabe (20) angebracht ist.
Drehelastische Kettenradanordnung nach Anspruch 5 oder 6, bei der ein Ende (21) der planaren Torsionsfeder (15) an der Nabe (20) befestigt ist.
Drehelastische Kettenradanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die planare Torsionsfeder (15) durch ein Ende an dem ersten Kettenrad (2) befestigt ist.
Motorzeitsteuersystem mit: einem drehelastischen Kettenradsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das zweite Kettenrad ein Kettenrad (104) zum Antrieb einer Kurbelwelle und das erste Kettenrad ein Kettenrad (102) zum Antrieb einer Balancierwelle bildet und die Welle eine Kurbelwelle (100) des Systems bildet; wobei mindestens eine Nockenwelle (108, 110) mit einem Nockenwellen-Kettenrad (112; 114) versehen ist, eine erste Zahnkette (106) das Kurbelwellen-Kettenrad (104) mit dem Nockenwellen-Kettenrad (112; 114) verbindet, eine Balancierwelle (122; 124) mit mindestens einem getriebenen Kettenrad (130) versehen ist und eine zweite Zahnkette (120) das die Balancierwelle antreibende Kettenrad (102) und das von der Balancierwelle angetriebene Kettenrad (130) treibend miteinander verbindet.