WO2014048424A1 - Unwuchtwelle - Google Patents

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WO2014048424A1
WO2014048424A1 PCT/DE2013/200109 DE2013200109W WO2014048424A1 WO 2014048424 A1 WO2014048424 A1 WO 2014048424A1 DE 2013200109 W DE2013200109 W DE 2013200109W WO 2014048424 A1 WO2014048424 A1 WO 2014048424A1
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shaft
imbalance
masses
carrier shaft
carrier
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PCT/DE2013/200109
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Inventor
Tobias Mederer
Hartmut Weber
Tobias Adam
Herbert GUMBRECHT
Frank JOCHMANN
Peter Solfrank
Siegfried Tisch
Franz Huschka
Stefan Hess
Eduard OTT
Bernd Zachmann
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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

Definitions

  • the invention relates to an imbalance shaft for balancing of mass forces and / or mass moments of an internal combustion engine, comprising a carrier shaft and one or more unbalanced masses joined thereto.
  • a disadvantage of the known embodiments is the limited lightweight construction potential, i. the ability to reduce the shaft mass for a given imbalance.
  • the present invention has for its object to provide a built lightweight shaft of the type mentioned.
  • the material density of the support shaft should be smaller than the material density of the imbalance masses, wherein the carrier shaft has a center of gravity, with respect to the unbalance direction of the imbalance wave beyond its longitudinal axis.
  • the carrier shaft should preferably be made of plastic.
  • Alternative materials may be light metals such as aluminum, and alternative material structures may be, for example, metal foams or sintered materials.
  • the unbalanced masses expediently consist of an iron-metallic material and are designed as cast or forged parts.
  • the carrier shaft can be joined at its end with a drive part for receiving a chain, belt or gearwheel driving the imbalance shaft and is expediently a plastic injection molded part, wherein the joint connection of the imbalance masses and the drive part to the carrier shaft is produced by encapsulation with the plastic of the carrier shaft , In this manufacturing process, the finished metal components are placed in the injection mold and molded.
  • the support shaft can also be manufactured as a separate plastic part and then materially joined (eg adhesive bond) or form-fitting (Clipsver) or non-positively (interference fit) with the metallic attachments.
  • the imbalance masses should each extend over a circumferential angle of a maximum of 180 °.
  • unbalanced masses should consist of bearing steel and be provided in each case with a raceway section for the rolling elements.
  • the raceway section the imbalance masses should be supplemented by a raceway section of the carrier shaft to a substantially full-scale roller bearing raceway.
  • the bearing steel grades C16, 16MnCr5, C45, Cf53, C80 and 100Cr6 are considered.
  • Figure 1 shows the imbalance shaft in side view
  • FIG. 2 shows the imbalance shaft in a perspective exploded view. Detailed description of the drawings
  • the imbalance shaft 1 shown in the various views is used to compensate for free mass forces second order of an internal combustion engine in four-cylinder in-line construction.
  • Lancaster compensation balancing two unbalanced shafts rotate with double crankshaft speed in opposite directions.
  • the imbalance shaft 1 is composed of individual components, namely a carrier shaft 2 and two imbalance masses 3 and an end-side drive part 4.
  • the extending in the direction of the longitudinal axis 5 formally extending support shaft is made entirely of plastic, here of polyamide 46, with the imbalance masses and the Drive part for producing the joint connection with the carrier shaft are encapsulated.
  • the joint connection is a tongue and groove joint, wherein the grooves 6 extend on the longitudinal end faces of the two imbalance masses 3 and the springs 7 engaging therein are formed by projections protruding perpendicularly from the carrier shaft.
  • the carrier shaft is provided for the purpose of stiffening with numerous transverse ribs 8.
  • the highly loaded by the imbalance raceway section 1 1 each imbalance mass is supplemented by a possibly low-loaded raceway section 12 of the support shaft 2 to a full-circumferential needle bearing raceway.
  • the points drawn in FIG. 1 symbolize the center of gravity 13 and 14 of the carrier shaft 2 and the imbalance masses 3.
  • the relatively small mass of the imbalance shaft 1 in relation to its imbalance results from the comparatively low density of the carrier wave plastic, so that the carrier shaft coincides with its relative to the Unbalance mass center of gravity 14 beyond the longitudinal axis 5 extending center of gravity 13 compensates the imbalance of imbalance masses only to a very small extent; the resulting unbalance of the imbalance shaft acts in the direction of arrow shown at 14. Consequently, the mass of the imbalance masses and, accordingly, the total weight of the imbalance shaft in the sense of lightweight construction can be kept relatively small.
  • the mass saving compared to a conventional shaft is about 300g.

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Abstract

Vorgeschlagen ist eine Unwuchtwelle (1) zum Ausgleich von Massenkräften und/oder Massenmomenten einer Brennkraftmaschine, umfassend eine Trägerwelle (2) und eine oder mehrere damit gefügte Unwuchtmassen (3). Die Werkstoffdichte der Trägerwelle soll kleiner als die Werkstoffdichte der Unwuchtmassen sein, und die Trägerwelle soll einen Massenschwerpunkt aufweisen, der bezüglich der Unwuchtrichtung der Unwuchtwelle jenseits ihrer Längsachse (5) verläuft.

Description

Unwuchtwelle
Die Erfindung betrifft eine Unwuchtwelle zum Ausgleich von Massen kräften und/oder Massenmomenten einer Brennkraftmaschine, umfassend eine Trägerwelle und eine oder mehrere damit gefügte Unwuchtmassen.
Hintergrund der Erfindung
Gebaute Unwuchtwellen mit einer Trägerwelle und daran befestigten Unwuchtmas- sen sind in zahlreichen konstruktiven Ausführungen bekannt. Beispielsweise sind in der DE 198 32 987 A1 die Unwuchtmassen kreisringstückförmig und auf den Außenumfang der hohlzylindrischen Trägerwelle aufgesetzt und dort verschraubt. In der DE 198 32 155 A1 ist die Trägerwelle zylindrisch massiv und ebenfalls mit den Unwuchtmassen verschraubt. Die DE 198 35 145 A1 zeigt eine Unwuchtwelle, deren Trägerwelle einen durchgehend zylindrischen Außenumfang hat und deren Unwuchtmassen am Innenumfang der Trägerwelle angeordnet und dort verschweißt oder verlötet sind.
Nachteilig an den bekannten Ausführungen ist das beschränkte Leichtbaupotenzial, d.h. die Möglichkeit, die Wellenmasse bei gegebener 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 , wäh- rend vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind. Demnach soll die Werkstoffdichte der Trägerwelle kleiner als die Werkstoffdichte der Unwuchtmassen sein, wobei die Trägerwelle einen Massenschwerpunkt aufweist, der bezüglich der Unwuchtrichtung der Unwucht- welle jenseits ihrer Längsachse verläuft.
Der Werkstoffmix bewirkt in Verbindung mit der zu beiden Seiten der Wellenlängsachse verlaufenden Massenschwerpunkte der Wellenkomponenten, dass die der Wellenunwucht entgegenwirkende Masse der Trägerwelle auf dem der Unwuchtrichtung abgewandten Wellenumfangsabschnitt klein gehalten wird. Ausgehend von einer bestehenden Unwuchtwelle, deren Komponenten im wesentlichen die gleiche Werkstoffdichte aufweisen, führt dies zu einer Verlagerung des Gesamtschwerpunkts in Richtung der Wellenunwucht. Folglich kann eine erfindungs- gemäße Welle bei unveränderter Unwucht mit erheblich geringerer Masse und dementsprechend geringerem Gewicht ausgeführt werden.
Die Trägerwelle soll vorzugsweise aus Kunststoff bestehen. Alternative Werkstoffe können Leichtmetalle wie Aluminium sein, und alternative Werkstoffgefüge können beispielsweise Metallschäume oder Sinterwerkstoffe sein. Die Unwuchtmassen bestehen zweckmäßigerweise aus einem eisenmetallischen Werkstoff und sind als Guss- oder Schmiedeteile ausgeführt.
Die Trägerwelle kann endseitig mit einem Antriebsteil zur Aufnahme eines die Un- wuchtwelle drehantreibenden Ketten-, Riemen- oder Zahnrads gefügt sein und ist zweckmäßigerweise ein Kunststoffspritzgussteil, wobei die Fügeverbindung der Unwuchtmassen und des Antriebsteils mit der Trägerwelle durch Umspritzung mit dem Kunststoff der Trägerwelle hergestellt ist. Bei diesem Herstellprozess werden die fertig bearbeiteten Metallkomponenten in das Spritzgusswerkzeug eingelegt und umspritzt. Alternativ kann die Trägerwelle auch als separates Kunststoffteil gefertigt und anschließend stoffschlüssig (z.B. Klebeverband) oder formschlüssig (Clipsverband) oder kraftschlüssig (Pressverband) mit den metallischen Anbauteilen gefügt werden. Die Unwuchtmassen sollen sich jeweils über einen Umfangswinkel von maximal 180° erstrecken. Im Falle der direkten, d.h. innenringfreien Wälzlagerung der Unwuchtwelle sollen die Unwuchtmassen aus Wälzlagerstahl bestehen und jeweils mit einem Laufbahnabschnitt für die Wälzkörper versehen sein. Der Laufbahnabschnitt der Unwuchtmassen soll von einem Laufbahnabschnitt der Trägerwelle zu einer im wesentlichen vollumfänglichen Wälzlagerlaufbahn ergänzt werden. Als Wälzlagerstahl kommen die Sorten C16, 16MnCr5, C45, Cf53, C80 und 100Cr6 in Betracht. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Unwuchtwelle dargestellt ist. Es zeigen:
Figur 1 die Unwuchtwelle in Seitenansicht und
Figur 2 die Unwuchtwelle in perspektivischer Explosionsdarstellung. Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die in den verschiedenen Ansichten 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 Unwuchtmassen 3 sowie einem endseitigen Antriebsteil 4. Die sich in Richtung der Längsachse 5 leistenformig erstreckende Trägerwelle besteht vollständig aus Kunststoff, hier aus Polyamid 46, mit dem die Unwuchtmassen und das Antriebsteil zur Herstellung der Fügeverbindung mit der Trägerwelle umspritzt sind. Im Bereich der Unwuchtmassen ist die Fügeverbindung eine Nut- Federverbindung, wobei die Nuten 6 an den Längsstirnseiten der beiden Unwucht- massen 3 verlaufen und die darin eingreifenden Federn 7 durch senkrecht von der Trägerwelle abstehende Vorsprünge gebildet sind. Die Trägerwelle ist zwecks Versteifung mit zahlreichen Querrippen 8 versehen. Das hier bereits mit einem Schrägkugellager 9 versehene Antriebsteil 4 aus Stahl- guss ist formschlüssig gegen Verdrehen gesichert umspritzt und zwischen der Um- spritzung und dem Kugellager mit einem Zweiflach 10 versehen, der als Gegenhalter bei der Verschraubung eines Antriebsrads (nicht dargestellt) dient.
Die aus dem Wälzlagerstahl 100Cr6 bestehenden Unwuchtmassen 3 sind Gleichteile, die sich über einen Umfangswinkel a=180° erstrecken und jeweils die umfängliche Hälfte der Innenlaufbahn eines Radial-Nadellagers in Form einer (innenringfrei- en) Nadelhülse (nicht dargestellt) bilden. Der durch die Unwucht hoch belastete Laufbahnabschnitt 1 1 jeder Unwuchtmasse wird von einem allenfalls gering belasteten Laufbahnabschnitt 12 der Trägerwelle 2 zu einer vollumfänglichen Nadellagerlaufbahn ergänzt.
Die in Figur 1 eingezeichneten Punkte symbolisieren die Massenschwerpunkte 13 und 14 der Trägerwelle 2 bzw. der Unwuchtmassen 3. Die im Verhältnis zu ihrer Unwucht relativ geringe Masse der Unwuchtwelle 1 resultiert aus der vergleichsweise geringen Dichte des Trägerwellenkunststoffs, so dass die Trägerwelle mit ihrem bezüglich des Unwuchtmassenschwerpunkts 14 jenseits der Längsachse 5 verlaufenden Schwerpunkt 13 die Unwucht der Unwuchtmassen nur in einem sehr gerin- gen Ausmaß kompensiert; die resultierende Unwucht der Unwuchtwelle wirkt in die bei 14 eingezeichnete Pfeilrichtung. Folglich kann die Masse der Unwuchtmassen und dementsprechend das Gesamtgewicht der Unwuchtwelle im Sinne des Leichtbaus vergleichsweise klein gehalten werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Masseneinsparung gegenüber einer herkömmlichen Welle ca. 300g.
Bezugszahlen
Unwuchtwelle
2 Trägerwelle
3 Unwuchtmasse
4 Antriebsteil
5 Längsachse
6 Nut Feder
Querrippe
Kugellager
Zweiflach
Laufbahnabschnitt der Unwuchtmasse Laufbahnabschnitt der Trägerwelle Massenschwerpunkt der Trägerwelle Massenschwerpunkt der Unwuchtmasse

Claims

Patentansprüche
1 . Unwuchtwelle zum Ausgleich von Massen kräften und/oder Massenmomenten einer Brennkraftmaschine, umfassend eine Trägerwelle (2) und eine oder mehrere damit gefügte Unwuchtmassen (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffdichte der Trägerwelle (2) kleiner als die Werkstoffdichte der Unwuchtmassen (3) ist und dass die Trägerwelle (2) einen Massenschwerpunkt (13) aufweist, der bezüglich der Unwuchtrichtung der Unwuchtwelle (1 ) jenseits ihrer Längsachse (5) verläuft.
2. Unwuchtwelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerwelle (2) im wesentlichen aus Kunststoff besteht.
3. Unwuchtwelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Un- wuchtmassen im wesentlichen aus Eisenwerkstoff bestehen.
4. Unwuchtwelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerwelle (2) endseitig mit einem Antriebsteil (4) gefügt ist.
5. Unwuchtwelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerwelle (2) ein Spritzgussteil ist, wobei die Fügeverbindung der Unwuchtmassen (3) und des Antriebsteils (4) mit der Trägerwelle (2) durch Umspritzung mit dem Kunststoff der Trägerwelle (2) hergestellt ist.
6. Unwuchtwelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die Unwuchtmassen (3) jeweils über einen Umfangswinkel (a) von maximal 180° erstrecken.
7. Unwuchtwelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Un- wuchtmassen (3) aus Wälzlagerstahl bestehen und jeweils mit einem Laufbahnabschnitt (1 1 ) für die Wälzkörper eines Wälzlagers versehen sind, der von einem Laufbahnabschnitt (12) der Trägerwelle (2) zu einer im wesentlichen vollumfänglichen Wälzlagerlaufbahn ergänzt wird.
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