WO2014040595A1 - Unwuchtwelle - Google Patents
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- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
- F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
- F16F15/22—Compensation of inertia forces
- F16F15/26—Compensation of inertia forces of crankshaft systems using solid masses, other than the ordinary pistons, moving with the system, i.e. masses connected through a kinematic mechanism or gear system
- F16F15/264—Rotating balancer shafts
- F16F15/268—Hollow shafts
Definitions
- the invention relates to an imbalance shaft for balancing of mass forces and / or inertial moments of an internal combustion engine, comprising an at least partially formed as a hollow profile carrier shaft and one or more in the region of the hollow profile with the carrier shaft joined imbalance masses.
- the present invention has for its object to provide a built lightweight shaft of the type mentioned. Summary of the invention
- the hollow profile should have a non-circular profile cross-section, wherein the hollow profile and the imbalance masses are joined to each other at their outer periphery.
- the high results Lightweight construction potential of the imbalance shaft according to the invention from the fact that the carrier shaft is not completely enclosed by the imbalance mass or masses, so that the imbalance mass counteracting the imbalance of the imbalance is kept small on the shaft circumferential portion facing away from the imbalance direction.
- the carrier shaft expediently has a center of gravity which extends beyond the longitudinal axis with respect to the imbalance direction of the imbalance shaft.
- the hollow profile is particularly preferably produced by hydroforming, hereinafter referred to as IHU for short.
- the imbalance masses may be provided with undercuts, in which the hollow profile is formed to form the joint connection with the imbalance masses.
- a material connection for example produced by a welded connection, between the carrier shaft and the imbalance masses.
- the unbalanced shaft should also be mounted radially on one or more journal, wherein a first part of the circumference of the bearing pin is formed by the carrier shaft and a second part of the circumference of the bearing journal by the imbalance masses.
- the shape of the bearing pin is preferably carried out by means of the hydroforming process.
- the journals are preferably formed fully cylindrical. Alternatively you can Nevertheless, also be provided teilzylind cal bearing journal whose bearing career extend over a circumferential angle of less than 360 °, wherein the career interruption facing away from the imbalance, ie no-load peripheral portion of the imbalance shaft extends.
- the imbalance shaft may comprise mounted on the bearing pin rolling bearing inner rings.
- the imbalance masses should each extend over a circumferential angle of at most 180 ° and thus have no mass counteracting the imbalance in favor of the low shaft mass on the other side of the shaft longitudinal axis.
- Figure 1 shows a first imbalance shaft in side view
- Figure 2 shows a second imbalance shaft in side view
- FIG. 3 shows the cross section I-I according to FIG. 1 in a first embodiment
- FIG. 4 shows the cross section I-I according to FIG. 1 in a second embodiment
- FIG. 5 shows the cross section I-I according to FIG. 1 in a third embodiment
- FIG. 6 shows the cross section II according to FIG. 1 in a fourth embodiment. Detailed description of the drawings
- the imbalance shaft 1 shown in Figure 1 is used to compensate for free mass forces second order of an internal combustion engine in four-cylinder in-line construction.
- the unbalanced shaft 1 is composed of individual components, namely a carrier shaft 2 and two unbalanced masses 3.
- the carrier shaft is formed substantially as a hollow profile, in the end a solid drive member 4 made of cast steel for receiving a thrust bearing and a drive wheel (not shown ) is firmly inserted.
- the radial bearing of the imbalance shaft takes place on two bearing pins 5, which are formed here as an inner race for the needles of a needle sleeve (not shown).
- a first partial circumference 6 of each journal is formed by the carrier shaft and extends with respect to the symbolized by the arrow 7 unbalance direction beyond the longitudinal axis 8 of the imbalance shaft.
- a second partial circumference 9 of each bearing journal is formed by the imbalance masses consisting of the bearing steel 100Cr6 and supplements the bearing journal with a circumferential angle ⁇ of approximately 160 ° to a solid cylinder (see FIG. 3). Due to the unbalanced point loading of the journals of the first part of circumference 6 is only slightly or not charged by the needle roller bearing and therefore with lower demands on the rolling resistance of the material structure and also significantly narrower than the opposite second part of circumference 9 with the unbalance direction 7 extending load zone on the Bearing be executed.
- the hollow profile of the support shaft 2 is produced by means of the known IHU method and has - apart from the joint with the drive part 4 - over its entire length a non-circular profile cross-section which is substantially semicircular in the region of the bearing pin 5.
- the Joining connection of the carrier shaft with the imbalance masses 3 extends in each case on the outer circumference of the hollow profile and the imbalance masses.
- the joint connection can be made by positive engagement by the carrier shaft 2 is formed during the hydroforming process in undercuts of in the hydroforming tool inlaid masses 3.
- the undercuts are formed according to Figure 3 by a web 1 1 of the unbalanced mass with a recess 12 extending therein and according to Figure 4 by a web 13 of the unbalanced mass, which widened against the unbalance direction 7 (see Figure 1).
- the joint connection may also be produced in a material-locking manner and here by welding 14 of the carrier shaft 2 to the imbalance masses 3.
- the bearing pin 5 shown in Figure 5 is additionally provided with an attached rolling bearing inner ring 15 for increased rolling resistance.
- the imbalance shaft 1 'shown in FIG. 2 differs from the imbalance shaft 1 according to FIG. 1 essentially only in that the carrier shaft 2' is joined with only one continuous imbalance mass 3 '.
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Abstract
Vorgeschlagen ist eine Leichtbau-Unwuchtwelle (1, 1') zum Ausgleich von Massenkräften und/oder Massenmomenten einer Brennkraftmaschine. Die Unwuchtwelle umfasst eine als Hohlprofil ausgebildete Trägerwelle (2, 2') und eine oder mehrere im Bereich des Hohlprofils mit der Trägerwelle gefügte Unwuchtmassen (3, 3'). Das Hohlprofil soll einen nicht-kreisförmigen Profilquerschnitt aufweisen, wobei das Hohlprofil und die Unwuchtmassen jeweils an deren Außenumfang miteinander gefügt sind.
Description
Unwuchtwelle
Die Erfindung betrifft eine Unwuchtwelle zum Ausgleich von Massen kräften und/oder Massenmomenten einer Brennkraftmaschine, umfassend eine zumindest bereichsweise als Hohlprofil ausgebildete Trägerwelle und eine oder mehrere im Bereich des Hohlprofils mit der Trägerwelle gefügte Unwuchtmassen.
Hintergrund der Erfindung Gebaute Unwuchtwellen mit einer als Hohlwelle ausgebildeten Trägerwelle und daran befestigten Unwuchtmassen sind beispielsweise aus der DE 100 24 768 A1 und der DE 103 20 747 A1 bekannt. In beiden Fällen ist die Trägerwelle hohlzylindrisch und deren Umfang von den darauf befestigten Unwuchtmassen umschlossen.
Nachteilig an diesen bekannten Ausführungen ist das beschränkte Leichtbaupotenzial, d.h. die Möglichkeit, die Wellenmasse bei vorgegebener Unwucht zu verringern. Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gebaute Leichtbauwelle der eingangs genannten Art anzugeben. Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1 , während vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind. Demnach soll das Hohlprofil einen nicht- kreisförmigen Profilquerschnitt aufweisen, wobei das Hohlprofil und die Unwuchtmassen jeweils an deren Außenumfang miteinander gefügt sind.
Gegenüber dem eingangs zitierten Stand der Technik ergibt sich das hohe
Leichtbaupotenzial der erfindungsgemäßen Unwuchtwelle daraus, dass die Trägerwelle von der oder den Unwuchtmassen nicht vollständig umschlossen ist, so dass der der Wellenunwucht entgegenwirkende Unwuchtmassenanteil auf dem der Unwuchtrichtung abgewandten Wellenumfangsabschnitt klein gehalten wird. Ausgehend von einer bekannten Unwuchtwelle führt dies zu einer Verlagerung des Gesamtschwerpunkts in Richtung der Wellenunwucht, so dass eine erfindungsgemäße Welle bei unveränderter Unwucht mit erheblich geringerer Masse und dementsprechend geringerem Gewicht ausgeführt werden kann. Die Trägerwelle weist zweckmäßigerweise einen Massenschwerpunkt auf, der bezüglich der Unwuchtrichtung der Unwuchtwelle jenseits ihrer Längsachse verläuft. Bei dieser Schwerpunktsverteilung der Wellenkomponenten kann der Schwerpunktsabstand der Unwuchtmassen von der Wellenlängsachse zugunsten des von der rotierenden Welle beanspruchten Bauraums (Umhüllende der Unwuchtmassen) klein gehalten werden, während der der Wellenunwucht entgegenwirkende Trägerwellenanteil aufgrund der kleinen absoluten Masse infolge des Hohlprofils ebenfalls klein ist.
Das Hohlprofil ist besonders bevorzugt durch Innenhochdruckumformung, nachfolgend kurz als IHU bezeichnet, hergestellt. Dabei können die Unwuchtmassen mit Hinterschnitten versehen sein, in die das Hohlprofil unter Bildung der Fügeverbindung mit den Unwuchtmassen eingeformt ist. Alternativ oder ergänzend zu dieser rein formschlüssigen Verbindung kann auch ein beispielsweise durch eine Schweißverbindung hergestellter Stoffschluss zwischen der Trägerwelle und den Unwuchtmassen vorgesehen sein.
Die Unwuchtwelle soll zudem an einem oder mehreren Lagerzapfen radial gelagert sein, wobei ein erster Teilumfang der Lagerzapfen durch die Trägerwelle und ein zweiter Teilumfang der Lagerzapfen durch die Unwuchtmassen gebildet ist. Die Formgebung der Lagerzapfen erfolgt bevorzugt mittels des IHU-Verfahrens.
Die Lagerzapfen sind vorzugsweise vollzylindrisch ausgebildet. Alternativ können
dennoch auch teilzylind sche Lagerzapfen vorgesehen sein, deren Lagerlaufbahn sich über einen Umfangswinkel von kleiner 360° erstrecken, wobei die Laufbahnunterbrechung auf dem der Unwucht abgewandten, d.h. lastfreien Umfangsabschnitt der Unwuchtwelle verläuft.
Im Falle einer radialen Wälzlagerung der Unwuchtwelle und einem nicht wälzfesten Werkstoffgefuge der Trägerwelle kann die Unwuchtwelle auf den Lagerzapfen befestigte Wälzlagerinnenringe umfassen. Die Unwuchtmassen sollen sich jeweils über einen Umfangswinkel von maximal 180° erstrecken und somit zugunsten der geringen Wellenmasse keinen der Unwucht entgegenwirkenden Massenanteil jenseits der Wellenlängsachse aufweisen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Unwuchtwellen vereinfacht dargestellt sind. Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale oder Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigen:
Figur 1 eine erste Unwuchtwelle in Seitenansicht; Figur 2 eine zweite Unwuchtwelle in Seitenansicht;
Figur 3 den Querschnitt l-l gemäß Figur 1 in einer ersten Ausführung;
Figur 4 den Querschnitt l-l gemäß Figur 1 in einer zweiten Ausführung;
Figur 5 den Querschnitt l-l gemäß Figur 1 in einer dritten Ausführung;
Figur 6 den Querschnitt l-l gemäß Figur 1 in einer vierten Ausführung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die in Figur 1 dargestellte Unwuchtwelle 1 dient zum Ausgleich von freien Massen kräften zweiter Ordnung einer Brennkraftmaschine in Vierzylinder- Reihenbauweise. Bei diesem auch als Lancaster-Ausgleich bekannten Massenausgleich rotieren zwei Unwuchtwellen mit doppelter Kurbelwellendrehzahl gegensinnig. Die Unwuchtwelle 1 ist aus Einzelkomponenten zusammen gebaut, nämlich aus einer Trägerwelle 2 und zwei damit gefügten Unwuchtmassen 3. Die Trägerwelle ist im wesentlichen als Hohlprofil ausgebildet, in dem endseitig ein massives Antriebsteil 4 aus Stahlguss zur Aufnahme eines Axiallagers und eines Antriebsrads (jeweils nicht dargestellt) fest eingesetzt ist. Die Radiallagerung der Unwuchtwelle erfolgt an zwei Lagerzapfen 5, die hier als Innenlaufbahn für die Nadeln einer Nadelhülse (nicht dargestellt) ausgebildet sind. Ein erster Teilumfang 6 jedes Lagerzapfens ist durch die Trägerwelle gebildet und verläuft bezüglich der durch den Pfeil 7 symbolisierten Unwuchtrichtung jenseits der Längsachse 8 der Unwuchtwelle. Ein zweiter Teilumfang 9 jedes Lagerzapfens ist durch die aus dem Wälzlagerstahl 100Cr6 bestehenden Unwuchtmassen gebildet und ergänzt den Lagerzapfen mit einem Umfangswinkel α von etwa 160° zu einem Vollzylinder (siehe Figur 3). Aufgrund der unwuchtbedingten Punktbelastung der Lagerzapfen ist der erste Teilumfang 6 lediglich gering oder gar nicht durch das Nadellager belastet und kann daher mit geringeren Anforderungen an die Wälzfestigkeit des Werkstoffgefüges und auch deutlich schmaler als der gegenüberliegende zweite Teilumfang 9 mit der in Unwuchtrichtung 7 verlaufenden Lastzone auf den Lagerzapfen ausgeführt sein.
Das Hohlprofil der Trägerwelle 2 ist mittels des an sich bekannten IHU-Verfahrens hergestellt und weist - von der Fügestelle mit dem Antriebsteil 4 abgesehen - über dessen gesamter Länge einen nicht-kreisförmigen Profilquerschnitt auf, der im Bereich der Lagerzapfen 5 im wesentlichen halbkreisförmig ist. Dabei verläuft der durch den Punkt 10 symbolisierte Massenschwerpunkt der Trägerwelle bezüglich der Unwuchtrichtung 7 der Unwuchtwelle 1 jenseits ihrer Längsachse 8. Die
Fügeverbindung der Trägerwelle mit den Unwuchtmassen 3 verläuft jeweils am Außenumfang des Hohlprofils und der Unwuchtmassen.
Wie in den Figuren 3 und 4 vereinfacht dargestellt, kann die Fügeverbindung durch Formschluss hergestellt sein, indem die Trägerwelle 2 während des IHU-Prozesses in Hinterschnitte der im IHU-Werkzeug eingelegten Unwuchtmassen 3 eingeformt wird. Die Hinterschnitte sind gemäß Figur 3 durch einen Steg 1 1 der Unwuchtmasse mit einer darin verlaufenden Vertiefung 12 und gemäß Figur 4 durch einen Steg 13 der Unwuchtmasse gebildet, der sich entgegen der Unwuchtrichtung 7 (siehe Figur 1 ) verbreitert.
Wie in den Figuren 5 und 6 dargestellt, kann die Fügeverbindung auch stoffschlüssig und hier durch Verschweißung 14 der Trägerwelle 2 mit den Unwuchtmassen 3 hergestellt sein.
Der in Figur 5 dargestellte Lagerzapfen 5 ist zwecks erhöhter Wälzfestigkeit zusätzlich mit einem darauf befestigten Wälzlagerinnenring 15 versehen.
Die in Figur 2 dargestellte Unwuchtwelle 1 ' unterscheidet sich von der Unwuchtwelle 1 gemäß Figur 1 im wesentlichen nur dadurch, dass die Trägerwelle 2' mit lediglich einer durchgehenden Unwuchtmasse 3' gefügt ist.
Bezugszahlen 1 Unwuchtwelle
2 Trägerwelle
3 Unwuchtmasse
4 Antriebsteil
5 Lagerzapfen
6 erster Teilumfang des Lagerzapfens
7 Unwuchtrichtung
8 Längsachse der Unwuchtwelle
9 zweiter Teilumfang des Lagerzapfens
Massenschwerpunkt der Trägerwelle Steg
Vertiefung
Steg
Verschweißung
Wälzlagerinnenring
Claims
1 . Unwuchtwelle (1 , 1 ') zum Ausgleich von Massenkräften und/oder Massenmomenten einer Brennkraftmaschine, umfassend eine zumindest bereichsweise als Hohlprofil ausgebildete Trägerwelle (2, 2') und eine oder mehrere im Bereich des Hohlprofils mit der Trägerwelle (2, 2') gefügte Unwuchtmassen (3, 3'), dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil einen nicht-kreisförmigen Profilquerschnitt aufweist, wobei das Hohlprofil und die Unwuchtmassen (3, 3') jeweils an deren Außenumfang miteinander gefügt sind.
2. Unwuchtwelle (1 , 1 ') nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerwelle (2, 2') einen Massenschwerpunkt (10) aufweist, der bezüglich der Unwuchtrichtung (7) der Unwuchtwelle (1 , 1 ') jenseits ihrer Längsachse (8) verläuft.
3. Unwuchtwelle (1 , 1 ') nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil durch Innenhochdruckumformung hergestellt ist.
4. Unwuchtwelle (1 , 1 ') nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Unwuchtmassen (3, 3') mit Hinterschnitten (1 1 , 12, 13) versehen sind, in die das Hohlprofil unter Bildung der Fügeverbindung mit den Unwuchtmassen (3, 3') eingeformt ist.
5. Unwuchtwelle (1 , 1 ') nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch einen oder mehrere Lagerzapfen (5) zur Radiallagerung der Unwuchtwelle (1 , 1 '), wobei ein erster Teilumfang (6) der Lagerzapfen (5) durch die Trägerwelle (2, 2') und ein zweiter Teilumfang (9) der Lagerzapfen (5) durch die Unwuchtmassen (3, 3') gebildet ist.
6. Unwuchtwelle (1 , 1 ') nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerzapfen (5) vollzylindrisch sind.
7. Unwuchtwelle (1 , 1 ') nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Unwuchtwelle (1 , 1 ') auf den Lagerzapfen (5) befestigte Wälzlagerinnenringe (15) umfasst.
8. Unwuchtwelle (1 , 1 ') nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die Unwuchtmassen (3, 3') jeweils über einen Umfangswinkel (a) von maximal 180° erstrecken.
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