WO2024002416A1 - Ausgleichswelle - Google Patents

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WO2024002416A1
WO2024002416A1 PCT/DE2023/100469 DE2023100469W WO2024002416A1 WO 2024002416 A1 WO2024002416 A1 WO 2024002416A1 DE 2023100469 W DE2023100469 W DE 2023100469W WO 2024002416 A1 WO2024002416 A1 WO 2024002416A1
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WO
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sheet metal
metal spring
bearing
bearing pin
bearing ring
Prior art date
Application number
PCT/DE2023/100469
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hannes Schreyer
Norbert Geyer
Thomas Hußenether
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Classifications

    • 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
    • F16F15/267—Rotating balancer shafts characterised by bearing support of balancer shafts; Lubrication arrangements

Definitions

  • the invention relates to a balancer shaft, comprising:
  • a generic balancing shaft with an unbalanced shaft and a bearing ring, the attachment of which to the bearing journal of the unbalanced shaft takes place by means of a sheet metal spring clamped between the bearing ring and the bearing journal back, is known from DE 10 2019 101 319 A1.
  • a stiffening rib that counteracts the operational shaft deflection runs on the back of the bearing journal in the direction of the axis of rotation and against the comb line of which the sheet metal spring is tensioned.
  • the present invention is based on the object of providing a balancing shaft of the type mentioned with improved clamping of the bearing ring.
  • the sheet metal spring should be tensioned against two support points of the bearing pin back, which run on both sides of the unbalance plane and whose orthogonal projections onto the unbalance plane with respect to the center of mass run on this side of the axis of rotation.
  • there is no rotational degree of freedom for the sheet metal spring clamped in the free space the rotational installation position of which is clearly determined and stabilized as a result of the position of the two support points on the bearing journal back on the one hand and the clamping against the bearing ring on the other.
  • the sheet metal spring can no longer twist in an undefined manner or rotate with the bearing ring when the bearing ring slips during operation.
  • the term 'support point' refers to the contact situation between the sheet metal spring and the back of the bearing pin. tact point or, in the case of a line or surface contact, its line or surface center of gravity.
  • Figure 1 shows the balancing shaft known from the prior art cited at the beginning in a perspective view
  • Figure 2 shows a bearing journal of a first balancing shaft according to the invention as a perspective detail
  • Figure 3 shows a bearing journal of a second balancing shaft according to the invention as a perspective detail
  • Figure 4 shows the bearing pin according to Figure 3 in a longitudinal section
  • Figure 5 shows an alternative sheet metal spring to Figures 3 and 4 as a perspective individual part.
  • the known balancing shaft according to the reference figure 1 comprises an unbalanced shaft 1 manufactured as a cast or forged part with an end drive pin 2 for a drive wheel to be mounted thereon (not shown) and with unbalanced sections 3, 4 and 5 as well as with bearing pins 6 and 7, each of which has two connect the unbalance sections 3 and 4 or 4 and 5.
  • the unbalanced shaft 1 has a center of mass 9 spaced from its axis of rotation 8, which, according to FIG. 2, forms an unbalance plane 10 with the axis of rotation 8.
  • the bearing journals 6, 7 are only partially cylindrical and their cylindrical partial circumference 11 (see dashed area in Figure 2) is oriented in such a way that the unbalance of the unbalance sections 3 to 5 and the unbalance of the bearing journals 6, 7 are essentially parallel and are rectified and load the cylindrical partial circumference 11 essentially in the middle of the circumference.
  • the (non-cylindrical) partial circumference of the bearing journal 6, 7 which is radially opposite the cylindrical partial circumference 11 is referred to below as the bearing journal back 12 and is opposite the orbit of the cylindrical partial circumference 11 related to the axis of rotation 8 is released.
  • the balancer shaft further comprises a bearing ring 13 surrounding each bearing pin 6, 7, a plate spring 14 which detachably fastens the bearing ring 13 to the bearing pin 6, 7 (non-destructively) and a needle ring 15 for the radial needle bearing of the balancer shaft in a housing of an internal combustion engine.
  • the inner race of the needle ring 15 is formed by the bearing ring 13.
  • the sheet metal springs 14, which are made of spring-hard sheet metal, have an approximately crescent-shaped cross section and are each inserted under elastic deformation in the radial free space, which is limited by the bearing pin back 12 on the one hand and the inner surface of the bearing ring 13 on the other.
  • the radial preload force of the sheet metal spring 14 acts on the bearing ring 13 in the direction opposite to the shaft unbalance direction, so that the bearing ring 13 is tensioned against the cylindrical partial circumference 11.
  • the sheet metal spring 14 is open in the area of the bearing pin back 12, the spring ends 16 and 17 delimiting the opening being tensioned against the comb line 18 of a longitudinally extending stiffening rib 19 of the unbalanced shaft 1. There is no further contact between the sheet metal spring 14 and the bearing pin back 12 here, so that the sheet metal spring 14 can rotate with the bearing ring 13 in the event of rotational slip.
  • FIGS 3 and 4 show detailed views of the second balancing shaft according to the invention.
  • the axial fastening of the bearing ring 13 on the bearing journal 6 and/or 7 is carried out exclusively by the sheet metal spring 14, which is axially positively connected on the one hand to the bearing ring 13 and on the other hand to the bearing journal back 12.
  • the axial positive connection of the sheet metal spring 14 with the bearing ring 13 is formed in the present case by four projections 25 of the sheet metal spring 14, which axially surround the bearing ring 13 on its end faces 24 as cut sheet metal tabs that are shaped radially outwards.
  • the axial positive connection of the sheet metal spring 14 with the bearing pin back 12 is formed by interlocking projections and / or recesses of the sheet metal spring 14 and the bearing pin back 12 and in the present case in that the bearing pin back 12 has either one or two grooves 26 running on both sides of the stiffening rib 19, the groove walls of which Enclose the axial end faces 27 of the sheet metal spring 14 with little axial play.
  • the grooves 26 can alternatively be replaced by a single groove on the crest line 18 of the stiffening rib 19.
  • the sheet metal spring 14 of the third balancing shaft according to the invention shown as an individual part in Figure 5, has recesses 28 into which projections (not shown) on the bearing pin back 12 engage and thus produce the axial positive connection of the sheet metal spring 14 with the bearing pin back 12.
  • All sheet metal springs 14 shown above are open circumferentially, with the opening 29 of each sheet metal spring 14 being located in a circumferential region of the bearing ring 13, which is diametrically opposite the cylindrical partial circumference 11.

Landscapes

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Abstract

Vorgeschlagen ist eine Ausgleichswelle, umfassend: - eine Unwuchtwelle (1) mit einem zu deren Drehachse (8) beabstandeten Massenschwerpunkt (9), der mit der Drehachse eine Unwuchtebene (10) aufspannt, und einem Lagerzapfen (6, 7) mit einem lediglich teilzylindrischen Umfang, dessen zylindrischer Teilumfang (11) zur Wellenunwucht hin ausgerichtet ist, - einen den Lagerzapfen umschließenden Lagerring (13), der am zylindrischen Teilumfang anliegt und zusammen mit einem dazu radial gegenüberliegenden Lagerzapfenrücken (12) einen Freiraum begrenzt, - und eine Blechfeder (14), die im Freiraum gegen den Lagerzapfenrücken einerseits und den Lagerring andererseits gespannt ist und den Lagerring radial gegen den zylindrischen Teilumfang spannt, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechfeder gegen zwei Auflagerpunkte (20, 21) des Lagerzapfenrückens gespannt ist, die beidseits der Unwuchtebene verlaufen und deren Orthogonalprojektionen auf die Unwuchtebene bezüglich des Massenschwerpunkts diesseits der Drehachse verlaufen.

Description

Ausgleichswelle
Die Erfindung betrifft eine Ausgleichswelle, umfassend:
- eine Unwuchtwelle mit einem zu deren Drehachse beabstandeten Massenschwerpunkt, der mit der Drehachse eine Unwuchtebene aufspannt, und einem Lagerzapfen mit einem lediglich teilzylindrischen Umfang, dessen zylindrischer Teilumfang zur Wellenunwucht hin ausgerichtet ist,
- einen den Lagerzapfen umschließenden Lagerring, der am zylindrischen Teilumfang anliegt und zusammen mit einem dazu radial gegenüberliegenden Lagerzapfenrücken einen Freiraum begrenzt,
- und eine Blechfeder, die im Freiraum gegen den Lagerzapfenrücken einerseits und den Lagerring andererseits gespannt ist und den Lagerring radial gegen den zylindrischen Teilumfang spannt.
Eine gattungsgemäße Ausgleichswelle mit einer Unwuchtwelle und einem Lagerring, dessen Befestigung am Lagerzapfen der Unwuchtwelle mittels einer zwischen dem Lagerring und dem Lagerzapfenrücken eingespannten Blechfeder erfolgt, ist aus der DE 10 2019 101 319 A1 bekannt. Am Lagerzapfenrücken verläuft in Richtung der Drehachse eine der betrieblichen Wellendurchbiegung entgegenwirkende Versteifungsrippe, gegen deren Kammlinie die Blechfeder gespannt ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ausgleichswelle der eingangs genannten Art mit einer verbesserten Einspannung des Lagerrings anzugeben.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich durch die Merkmale des Anspruchs 1. Demnach soll die Blechfeder gegen zwei Auflagerpunkte des Lagerzapfenrückens gespannt sein, die beidseits der Unwuchtebene verlaufen und deren Orthogonalprojektionen auf die Unwuchtebene bezüglich des Massenschwerpunkts diesseits der Drehachse verlaufen. Gegenüber dem zitierten Stand der Technik verbleibt dabei kein rotatorischer Freiheitsgrad für die im Freiraum eingespannte Blechfeder, deren rotatorische Einbauposition infolge der Position der beiden Auflagerpunkte am Lagerzapfenrücken einerseits und der Einspannung gegen den Lagerring andererseits eindeutig festgelegt und stabilisiert ist. Folglich kann sich die Blechfeder nicht mehr Undefiniert verdrehen oder bei betrieblichem Drehschlupf des Lagerrings mit dem Lagerring mitdrehen. Unter dem Begriff 'Auflagerpunkt' ist je nach Kontaktsituation der Blechfeder mit dem Lagerzapfenrücken deren Kon- taktpunkt oder im Fall eines Linien- oder Flächenkontakts dessen Linien- bzw. Flächenschwerpunkt zu verstehen.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Ausgleichswellen dargestellt sind. Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Bauteile oder Merkmale mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigen:
Figur 1 die aus dem eingangs zitierten Stand der Technik bekannte Ausgleichswelle in perspektivischer Darstellung;
Figur 2 einen Lagerzapfen einer ersten erfindungsgemäßen Ausgleichswelle als perspektivischen Ausschnitt;
Figur 3 einen Lagerzapfen einer zweiten erfindungsgemäßen Ausgleichswelle als perspektivischen Ausschnitt;
Figur 4 den Lagerzapfen gemäß Figur 3 in einem Längsschnitt;
Figur 5 eine zu den Figuren 3 und 4 alternative Blechfeder als perspektivisches Einzelteil.
Die bekannte Ausgleichswelle gemäß der Referenzfigur 1 umfasst eine als Guss- oder Schmiedeteil hergestellte Unwuchtwelle 1 mit einem endseitigen Antriebszapfen 2 für ein darauf zu montierendes Antriebsrad (nicht dargestellt) und mit Unwuchtabschnitten 3, 4 und 5 sowie mit Lagerzapfen 6 und 7, die jeweils zwei der Unwuchtabschnitte 3 und 4 bzw. 4 und 5 verbinden. Die Unwuchtwelle 1 hat einen zu deren Drehachse 8 beabstan- deten Massenschwerpunkt 9, der gemäß Figur 2 mit der Drehachse 8 eine Unwuchtebene 10 aufspannt. Die Lagerzapfen 6, 7 sind zwecks Maximierung der Wellenunwucht lediglich teilzylindrisch und deren zylindrischer Teilumfang 11 (s. gestrichelt umrandete Fläche in Figur 2) ist so orientiert, dass die Unwucht der Unwuchtabschnitte 3 bis 5 und die Unwucht der Lagerzapfen 6, 7 im Wesentlichen parallel und gleichgerichtet sind und den zylindrischen Teilumfang 11 im Wesentlichen umfangsmittig belasten. Der dem zylindrischen Teilumfang 11 radial gegenüberliegende (nichtzylindrische) Teilumfang des Lagerzapfens 6, 7 ist nachfolgend als Lagerzapfenrücken 12 bezeichnet und gegenüber dem auf die Drehachse 8 bezogenen Umlaufkreis des zylindrischen Teilumfangs 11 freigenommen.
Die Ausgleichswelle umfasst weiterhin je Lagerzapfen 6, 7 einen diesen umschließenden Lagerring 13, eine den Lagerring 13 am Lagerzapfen 6, 7 (zerstörungsfrei) lösbar befestigende Blechfeder 14 und einen Nadelkranz 15 zur radialen Nadellagerung der Ausgleichswelle in einem Gehäuse einer Brennkraftmaschine. Die Innenlaufbahn des Nadelkranzes 15 ist durch den Lagerring 13 gebildet. Die aus federhartem Metallblech bestehenden Blechfedern 14 haben einen näherungsweise halbmondförmigen Querschnitt und sind jeweils unter elastischer Verformung in dem radialen Freiraum eingesetzt, der durch den Lagerzapfenrücken 12 einerseits und die Innenmantelfläche des Lagerrings 13 andererseits begrenzt wird. Dabei beaufschlagt die radiale Vorspannkraft der Blechfeder 14 den Lagerring 13 in die zur Wellenunwuchtrichtung entgegen gesetzte Richtung, so dass der Lagerring 13 gegen den zylindrischen Teilumfang 11 gespannt wird. Bei der bekannten Ausgleichswelle gemäß Figur 1 ist die Blechfeder 14 im Bereich des Lagerzapfenrückens 12 geöffnet, wobei die die Öffnung begrenzenden Federenden 16 und 17 gegen die Kammlinie 18 einer sich in Längsrichtung erstreckenden Versteifungsrippe 19 der Unwuchtwelle 1 gespannt sind. Ein weiterer Auflage kontakt der Blechfeder 14 mit dem Lagerzapfenrücken 12 existiert hier nicht, so dass die Blechfeder 14 im Fall von Drehschlupf des Lagerrings 13 mit diesem mitdrehen kann.
Ein solches unkontrolliertes Mitdrehen des Lagerrings 13 wird bei der in Figur 2 dargestellten Ausgleichswelle durch die nachfolgend erläuterte Kontaktgeometrie der Blechfeder 14 mit dem Lagerzapfenrücken 12 verhindert. Die Blechfeder 14 ist erfindungsgemäß gegen zwei Auflagerpunkte 20 und 21 des Lagerzapfenrückens 12 gespannt, die beidseits der Unwuchtebene 10 und vorliegend neben der Versteifungsrippe 19 verlaufen und deren Orthogonalprojektionen auf die Unwuchtebene 10 bezüglich des Massenschwerpunkts 9 diesseits der Drehachse 8 verlaufen. Eine Orthogonalprojektion ist bekanntlich die senkrechte Abbildung eines Punkts auf eine Ebene. Figur 3 zeigt die Orthogonalprojektion des Auflagerpunkts 21 als dort unterhalb der Drehachse 8 schwarz eingezeichneten Punkt. Diese Auflagerbedingungen und die dazu gegenüberliegende Einspannung der Blechfeder 14 gegen den Lagerring 13 legen die rotative Position der Blechfeder 14 zur Drehachse 8 fest, so dass das eingangs erwähnte Ver- oder Mitdrehen der Blechfeder 14 ausgeschlossen ist. Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 springt der zylindrische Teilumfang 11 gegenüber Schultern 22 und 23 der Unwuchtwelle 1 radial zurück, wobei die Schultern 22, 23 die Stirnseiten 24 des Lagerrings 13 mit engem Axialspiel einfassen und so den Lagerring 13 gegen beidseitiges Verschieben auf dem Lagerzapfen 6 und/oder 7 sichern.
Die Figuren 3 und 4 zeigen Detailansichten der erfindungsgemäßen zweiten Ausgleichswelle. Die axiale Befestigung des Lagerrings 13 auf dem Lagerzapfen 6 und/oder 7 erfolgt hierbei ausschließlich durch die Blechfeder 14, die axial formschlüssig einerseits mit dem Lagerring 13 und andererseits mit dem Lagerzapfenrücken 12 verbunden ist. Der axiale Formschluss der Blechfeder 14 mit dem Lagerring 13 ist vorliegend durch vier Vorsprünge 25 der Blechfeder 14 gebildet, die als eingeschnittene und radial auswärts umgeformte Blechlaschen den Lagerring 13 an dessen Stirnseiten 24 axial einfassen. Der axiale Formschluss der Blechfeder 14 mit dem Lagerzapfenrücken 12 ist durch ineinander greifende Vorsprünge und/oder Ausnehmungen der Blechfeder 14 und des Lagerzapfenrückens 12 und vorliegend dadurch gebildet, dass der Lagerzapfenrücken 12 entweder eine oder zwei beidseits der Versteifungsrippe 19 verlaufende Nuten 26 hat, deren Nutwände die axialen Stirnseiten 27 der Blechfeder 14 axial spielarm einfassen. Die Nuten 26 können alternativ durch eine einzige Nut auf der Kammlinie 18 der Versteifungsrippe 19 ersetzt werden.
Die in Figur 5 als Einzelteil dargestellte Blechfeder 14 der erfindungsgemäßen dritten Ausgleichswelle hat Ausnehmungen 28, in die (nicht dargestellte) Vorsprünge auf dem Lagerzapfenrücken 12 eingreifen und so den axialen Formschluss der Blechfeder 14 mit dem Lagerzapfenrücken 12 herstellen.
Sämtliche zuvor gezeigten Blechfedern 14 sind umfänglich offen, wobei sich die Öffnung 29 jeder Blechfeder 14 in einem Umfangsbereich des Lagerrings 13 befindet, der dem zylindrischen Teilumfang 11 diametral gegenüberliegt.

Claims

Patentansprüche Ausgleichswelle, umfassend:
- eine Unwuchtwelle (1) mit einem zu deren Drehachse (8) beabstandeten Massenschwerpunkt (9), der mit der Drehachse (8) eine Unwuchtebene (10) aufspannt, und einem Lagerzapfen (6, 7) mit einem lediglich teilzylindrischen Umfang, dessen zylindrischer Teilumfang (11) zur Wellenunwucht hin ausgerichtet ist,
- einen den Lagerzapfen (6, 7) umschließenden Lagerring (13), der am zylindrischen Teilumfang (11) anliegt und zusammen mit einem dazu radial gegenüberliegenden Lagerzapfenrücken (12) einen Freiraum begrenzt,
- und eine Blechfeder (14), die im Freiraum gegen den Lagerzapfenrücken (12) einerseits und den Lagerring (13) andererseits gespannt ist und den Lagerring (13) radial gegen den zylindrischen Teilumfang (11) spannt, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechfeder (14) gegen zwei Auflagerpunkte (20, 21) des Lagerzapfenrückens (12) gespannt ist, die beidseits der Unwuchtebene (10) verlaufen und deren Orthogonalprojektionen auf die Unwuchtebene (10) bezüglich des Massenschwerpunkts (9) diesseits der Drehachse (8) verlaufen. Ausgleichswelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Blechfeder (14) den Lagerring (13) gegen beidseitiges Verschieben auf dem Lagerzapfen (6, 7) sichert, wobei die Blechfeder (14) axial formschlüssig einerseits mit dem Lagerzapfenrücken (12) und andererseits mit dem Lagerring (13) verbunden ist. Ausgleichswelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Formschluss der Blechfeder (14) mit dem Lagerring (13) durch radiale Vorsprünge (25) der Blechfeder (14) gebildet ist, die den Lagerring (13) an dessen Stirnseiten (24) axial einfassen. Ausgleichswelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Formschluss der Blechfeder (14) mit dem Lagerzapfenrücken (12) durch ineinander greifende Vorsprünge und/oder Ausnehmungen der Blechfeder (14) und des Lagerzapfenrückens (12) gebildet ist. Ausgleichswelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechfeder (14) umfänglich offen ist, wobei sich die Öffnung (29) der Blechfeder (14) in einem Umfangsbereich des Lagerrings (13) befindet, der dem zylindrischen Teilumfang (11) diametral gegenüberliegt.
PCT/DE2023/100469 2022-06-29 2023-06-22 Ausgleichswelle WO2024002416A1 (de)

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