WO2019179580A1 - Unwuchtwelle - Google Patents

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Benedikt Schreiber
Torsten Keller
Norbert Geyer
Hannes Schreyer
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
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    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/10—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of mechanical energy
    • B06B1/16—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of mechanical energy operating with systems involving rotary unbalanced masses
    • 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
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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/32—Correcting- or balancing-weights or equivalent means for balancing rotating bodies, e.g. vehicle wheels
    • F16F15/322—Correcting- or balancing-weights or equivalent means for balancing rotating bodies, e.g. vehicle wheels the rotating body being a shaft

Definitions

  • the invention relates to an imbalance shaft for balancing mass forces and / or mass moments of an internal combustion engine.
  • the imbalance shaft comprises a carrier shaft and an imbalance mass fastened to its outer circumference.
  • the present invention has for its object to provide an imbalance shaft of the type mentioned above with the highest possible modularity.
  • the solution to this problem arises from the features of claim 1. Accordingly, the attachment of the unbalanced mass to the carrier shaft by means of a carrier shaft and the unbalanced mass enclosing clamping ring should be done, which biases the unbalanced mass radially against the carrier shaft.
  • the modularity of the imbalance shaft results from the clamping ring attachment of the imbalance mass whose size is comparatively easily adaptable to different imbalances with an otherwise high equal part of the imbalance shafts.
  • the carrier shaft should be formed in the fastening region of the imbalance mass as a hydroforming-shaped hollow profile (in the hydroforming or hydroforming process).
  • the hydroforming process makes it possible for the clamping rings and the imbalance mass to be fastened in a form-fitting manner to the deformed hollow profile of the carrier shaft both in the circumferential direction and in the axial direction of the imbalance shaft.
  • FIG. 1 a shows a side view of a section of the imbalance shaft with an unbalanced mass attached to a carrier shaft;
  • FIG. 1 b shows the section according to FIG. 1 a in plan view
  • FIG. 1c shows the section in longitudinal section A-A according to FIG. 1d;
  • FIG. 1 d shows the section in cross-section B-B according to FIG. 1 c;
  • FIG. 2a shows the clamping ring according to the figures 1 in plan view
  • Figure 2b shows the clamping ring in longitudinal section
  • FIG. 3 a shows the imbalance mass according to FIGS. 1 in a side view
  • Figure 3b shows the imbalance mass in longitudinal section
  • FIG. 4 a shows a longitudinal section of the shaft section in an hydroforming tool before the deformation according to FIGS.
  • FIG. 4b shows the shaft section according to FIG. 4a in cross section
  • FIG. 5a shows the shaft section in the hydroforming tool according to FIG. 4a after the reforming
  • FIG. 5b shows the shaft section in the hydroforming tool according to FIG. 4b after the reforming
  • FIG. 6a shows the shaft section according to FIG. 5a
  • FIG. 6b shows the shaft section according to FIG. 5b
  • FIG. 7 shows a rolling bearing point of the imbalance shaft in longitudinal section.
  • the imbalance shaft shown in sections 1 a to 1 d serves to compensate for free inertial forces of an internal combustion engine.
  • the imbalance shaft is constructed from individual parts, namely a carrier shaft 1, one or more imbalance masses 2 and two clamping rings 3 per imbalance mass 2.
  • the imbalance shaft is modular, with different shaft designs are produced by mere variation of the number and size of imbalance masses 2 can.
  • the imbalance shaft is in the preassembled state in which the carrier shaft 1, the imbalance mass 2 and the clamping rings 3 are already plugged together, but the carrier shaft 1 has not yet been plastically deformed.
  • the carrier shaft 1 is formed as a hollow profile, at least in the axial attachment region of the imbalance masses 2, which according to FIGS. 4 and 5 explained later on is transformed in the hydroforming process.
  • the unbalanced mass 2 is fastened to the carrier shaft 1 by means of the two clamping rings 3 which close the carrier shaft 1 and the imbalance mass 2 at their end portions and clamp the imbalance mass 2 radially against the outer circumference of the carrier shaft 1 after forming ,
  • the inner contour of the clamping rings 3 shown as an individual part in Figures 2a and 2b is substantially complementary to one of the clamping rings 3 enclosed
  • Outer contour which is composed of the outer cylindrical hollow profile of the support shaft 1 and each one at the end portion of the imbalance mass 2 axially projecting pin 4 according to the figures 3.
  • the section of the imbalance mass 2 extending between the clamping rings 3 fits with a semicylindrical recess 5 against the hollow profile of the carrier shaft 1.
  • the imbalance mass 2 is mirror-symmetrical to an imbalance plane which is defined by the axis of rotation 6 of the imbalance shaft and center of gravity 7 is spanned.
  • the imbalance mass 2 is arranged with respect to the unbalance direction completely on this side of the axis of rotation 6 - see Figure 3. This completely eccentric mass arrangement makes it possible to minimize the shaft mass at a given wave imbalance.
  • the unbalanced mass may not be mirror-symmetrical, for example, to ensure the necessary clearance to the adjacent rotating crankshaft with circumferential recesses.
  • Figures 4 and 5 illustrate the plastic deformation of the carrier shaft 1 during hydroforming.
  • the IFIU tool is designed such that the hollow profile of the carrier shaft 1 undeformed according to FIGS. 4 a and 4 b outside the imbalance mass 2 and the clamping rings 3 has radial air to the tool halves 8 and 9.
  • the plastically deforming hollow profile lays completely against the tool halves 8, 9, wherein it encloses both the clamping rings 3 and the imbalance mass 2 axially on both sides.
  • the imbalance mass 2 and the clamping rings 3 are positively and positively fastened to their formed hollow profile, both in the circumferential direction and in the axial direction of the carrier shaft 1 - see FIGS. 5a and 5b and FIG. 6, which shows the fully formed imbalance shaft as a piecewise item shows.
  • the radial bearing of the imbalance shaft may be a rolling bearing with a needle ring 10 and an outer ring 1 1 according to FIG.
  • the inner raceway of the pins is formed by an inner ring 12 pressed onto the carrier shaft 1 between two unbalanced masses 2, the end faces 13 of the clamping rings 3 facing each other serving as axial contact surfaces for the needles, if necessary finely machined.

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Abstract

Vorgeschlagen ist eine Unwuchtwelle zum Ausgleich von Massenkräften und/oder Massenmomenten einer Brennkraftmaschine, umfassend eine Trägerwelle (1) und eine an deren Außenumfang befestigte Unwuchtmasse (2). Die Befestigung der Unwuchtmasse an der Trägerwelle soll mittels eines die Trägerwelle und die Unwuchtmasse umschließenden Spannrings (3) erfolgen, der die Unwuchtmasse radial gegen die Trägerwelle spannt.

Description

Unwuchtwelle
Die Erfindung betrifft eine Unwuchtwelle zum Ausgleich von Massenkräften und/oder Massenmomenten einer Brennkraftmaschine. Die Unwuchtwelle umfasst eine Trä- gerwelle und eine an deren Außenumfang befestigte Unwuchtmasse.
Gebaute Unwuchtwellen mit gefügten Unwuchtmassen sind beispielsweise aus der DE 10 2012 216 418 A1 , DE 10 2008 060 084 A1 , DE 10 2009 036 794 A1 , DE 10 2010 035 181 A1 , DE 10 2012 210 171 A1 , DE 10 2012 217 476 A1 und DE 10 2013 200 166 A1 bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Unwuchtwelle der ein- gangs genannten Art mit möglichst hoher Modularität anzugeben. Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1 . Dem- nach soll die Befestigung der Unwuchtmasse an der Trägerwelle mittels eines die Trägerwelle und die Unwuchtmasse umschließenden Spannrings erfolgen, der die Unwuchtmasse radial gegen die Trägerwelle spannt. Die Modularität der Unwucht- welle resultiert aus der Spannringbefestigung der Unwuchtmasse, deren Größe an unterschiedliche Unwuchten bei ansonsten hohem Gleichteileanteil der Unwuchtwel- len vergleichsweise einfach anpassbar ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteran- sprüchen entnehmbar. Insbesondere soll die Trägerwelle im Befestigungsbereich der Unwuchtmasse als (im IHU- oder Hydroforming-Verfahren) innenhochdruckum- geformtes Hohlprofil ausgebildet sein. Die IHU-Umformung ermöglicht es, dass die Spannringe und die Unwuchtmasse sowohl in umfänglicher als auch in axialer Rich- tung der Unwuchtwelle formschlüssig am umgeformten Hohlprofil der Trägerwelle befestigt sind.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä- ßen Unwuchtwelle vereinfacht dargestellt ist. Es zeigen: Figur 1 a einen Abschnitt der Unwuchtwelle mit einer auf einer Trägerwelle gefüg- ten Unwuchtmasse in Seitenansicht;
Figur 1 b den Abschnitt gemäß Figur 1 a in Draufsicht;
Figur 1 c den Abschnitt im Längsschnitt A-A gemäß Figur 1 d;
Figur 1 d den Abschnitt im Querschnitt B-B gemäß Figur 1 c;
Figur 2a den Spannring gemäß den Figuren 1 in Draufsicht;
Figur 2b den Spannring im Längsschnitt;
Figur 3a die Unwuchtmasse gemäß den Figuren 1 in Seitenansicht;
Figur 3b die Unwuchtmasse im Längsschnitt;
Figur 3c die Unwuchtmasse in Draufsicht;
Figur 4a den Wellenabschnitt in einem IHU-Werkzeug vor der Umformung gemäß den Figuren 1 im Längsschnitt;
Figur 4b den Wellenabschnitt gemäß Figur 4a im Querschnitt;
Figur 5a den Wellenabschnitt im IHU-Werkzeug gemäß Figur 4a nach der Umfor- mung;
Figur 5b den Wellenabschnitt im IHU-Werkzeug gemäß Figur 4b nach der Umfor- mung;
Figur 6a den Wellenabschnitt gemäß Figur 5a; Figur 6b den Wellenabschnitt gemäß Figur 5b;
Figur 7 eine Wälzlagerstelle der Unwuchtwelle im Längsschnitt. Die in den Figuren 1 a bis 1 d abschnittsweise dargestellte Unwuchtwelle dient zum Ausgleich von freien Massenkräften einer Brennkraftmaschine. Die Unwuchtwelle ist aus Einzelteilen zusammen gebaut, nämlich aus einer Trägerwelle 1 , einer oder mehreren Unwuchtmassen 2 und zwei Spannringen 3 je Unwuchtmasse 2. Die Un- wuchtwelle ist modular konstruiert, wobei unterschiedliche Wellenausführungen durch bloße Variation von Anzahl und Größe der Unwuchtmassen 2 erzeugt werden können. Die Unwuchtwelle befindet sich im vormontierten Zustand, in dem die Trä- gerwelle 1 , die Unwuchtmasse 2 und die Spannringe 3 bereits zusammengesteckt sind, die Trägerwelle 1 jedoch noch nicht plastisch umgeformt ist. Wie es aus dem Längsschnitt und dem Querschnitt der Unwuchtwelle gemäß den Figuren 1 c bzw. 1 d deutlich wird, ist die Trägerwelle 1 - zumindest im axialen Befes- tigungsbereich der Unwuchtmassen 2 - als Hohlprofil ausgebildet, das gemäß den später erläuterten Figuren 4 und 5 im IHU-Verfahren umgeformt wird. Die Befesti- gung der Unwuchtmasse 2 an der Trägerwelle 1 erfolgt mittels der beiden Spannrin- ge 3, die die Trägerwelle 1 und die Unwuchtmasse 2 an deren Endabschnitten um schließen und die Unwuchtmasse 2 nach dem Umformen radial gegen den Außen- umfang der Trägerwelle 1 spannen.
Die Innenkontur der in den Figuren 2a und 2b als Einzelteil dargestellten Spannringe 3 ist im wesentlichen komplementär zu einer von den Spannringen 3 umschlossenen
Außenkontur, die sich aus dem außenzylindrischen Hohlprofil der Trägerwelle 1 und jeweils einem am Endabschnitt der Unwuchtmasse 2 axial vorspringenden Zapfen 4 gemäß den Figuren 3 zusammensetzt. Der zwischen den Spannringen 3 verlaufen- de Abschnitt der Unwuchtmasse 2 schmiegt sich mit einer halbzylindrischen Aus- nehmung 5 an das Hohlprofil der Trägerwelle 1 an.
Wie es in den Figuren 1 und 3 ersichtlich, ist die Unwuchtmasse 2 spiegelsymmet- risch zu einer Unwuchtebene, die durch die Drehachse 6 der Unwuchtwelle und de- ren Massenschwerpunkt 7 aufgespannt wird. Die Unwuchtmasse 2 ist bezüglich der Unwuchtrichtung vollständig diesseits der Drehachse 6 angeordnet - siehe Figuren 3. Diese vollständig exzentrische Massenanordnung ermöglicht es, die Wellenmasse bei vorgegebener Wellenunwucht zu minimieren.
Alternativ kann die Unwuchtmasse nicht spiegelsymmetrisch sein, um beispielsweise mit umfänglichen Ausnehmungen den erforderlichen Freigang zu der benachbart rotierenden Kurbelwelle zu gewährleisten. Die Figuren 4 und 5 illustrieren die plastische Verformung der Trägerwelle 1 beim Innenhochdruckumformen. Das IFIU-Werkzeug ist so beschaffen, dass das gemäß den Figuren 4a und 4b unverformte Hohlprofil der Trägerwelle 1 außerhalb der Un- wuchtmasse 2 und der Spannringe 3 Radialluft zu den Werkzeughälften 8 und 9 hat. Bei der anschließenden Flochdruckbeaufschlagung legt sich das plastisch verfor- mende Hohlprofil vollständig an die Werkzeughälften 8, 9 an, wobei es sowohl die Spannringe 3 als auch die Unwuchtmasse 2 jeweils axial beidseitig umschließt. Da- mit sind die Unwuchtmasse 2 und die Spannringe 3 sowohl in umfänglicher als auch in axialer Richtung der Trägerwelle 1 kraft- und formschlüssig an deren umgeform- tem Hohlprofil befestigt - siehe Figuren 5a und 5b sowie Figur 6, die die fertig umge- formte Unwuchtwelle als abschnittsweises Einzelteil zeigt.
Die Radiallagerung der Unwuchtwelle kann eine Wälzlagerung mit einem Nadel- kranz 10 und einem Außenring 1 1 gemäß Figur 7 sein. Die Innenlaufbahn der Na- deln ist durch einen auf der Trägerwelle 1 zwischen zwei Unwuchtmassen 2 aufge- pressten Innenring 12 gebildet, wobei die - bedarfsweise feinbearbeiteten - Stirnflä- chen 13 der einander zugewandten Spannringe 3 als axiale Anlaufflächen für die Nadeln dienen.
Bezuqszahlen
1 Trägerwelle
2 Unwuchtmasse
3 Spannring 4 Zapfen
5 Ausnehmung
6 Drehachse
7 Massenschwerpunkt 8 Werkzeughälfte
9 Werkzeughälfte
10 Nadelkranz
1 1 Außenring
12 Innenring
13 Stirnfläche

Claims

Patentansprüche
1 . Unwuchtwelle zum Ausgleich von Massenkräften und/oder Massenmomenten einer Brennkraftmaschine, umfassend eine Trägerwelle (1 ) und eine an deren Außenumfang befestigte Unwuchtmasse (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung der Unwuchtmasse (2) an der Trägerwelle (1 ) mittels eines die Trägerwelle (1 ) und die Unwuchtmasse (2) umschließenden Spannrings (3) er- folgt, der die Unwuchtmasse (2) radial gegen die Trägerwelle (1 ) spannt.
2. Unwuchtwelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Befesti- gung der Unwuchtmasse (2) an der Trägerwelle (1 ) mittels zwei Spannringen (3) erfolgt, die die Trägerwelle (1 ) und die Endabschnitte der Unwuchtmasse (2) formschlüssig umschließen.
3. Unwuchtwelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Unwucht- masse (2) spiegelsymmetrisch zu einer durch die Drehachse (6) der Unwucht- welle und deren Massenschwerpunkt (7) aufgespannten Unwuchtebene ist und bezüglich der Unwuchtrichtung vollständig diesseits der Drehachse (6) angeord- net ist.
4. Unwuchtwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerwelle (1 ) im Befestigungsbereich der Unwuchtmasse (2) als innenhoch-druckumgeformtes Hohlprofil ausgebildet ist.
5. Unwuchtwelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die
Spannringe (3) und die Unwuchtmasse (2) sowohl in umfänglicher als auch in axialer Richtung der Unwuchtwelle formschlüssig am umgeformten Hohlprofil be- festigt sind.
6. Unwuchtwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unwuchtwelle einen die Trägerwelle (1 ) umschließenden Nadelkranz (1 1 ) umfasst, wobei der oder die Spannringe (3) jeweils eine als axi- ale Anlauffläche für die Nadeln dienende Stirnfläche (13) haben.
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