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Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem Gehäuse, einer Kurbelwelle mit einem Zahnrad, mindestens einer Ausgleichswelle mit einem Zahnrad und einem das Zahnrad der Kurbelwelle mit dem Zahnrad der Ausgleichswelle verbindenden Zwischenrad. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Montage eines solchen Verbrennungsmotors.
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Es ist beispielsweise aus der
WO 2005/054643 A1 bekannt, bei Hubkolben-Verbrennungsmotoren Ausgleichswellen einzusetzen, um die bei dem Betrieb des Verbrennungsmotors infolge der zyklischen Beschleunigung der einzelnen Kolben entstehenden freien Massenkräfte auszugleichen. Hierzu werden die Ausgleichswellen über ein (Räder-)Getriebe von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors selbst (synchron) angetrieben.
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Häufig kommen bei einem Hubkolben-Verbrennungsmotor zwei Ausgleichswellen zum Einsatz, von denen eine die gleiche Drehrichtung wie die Kurbelwelle aufweist, während die andere in entgegengesetzter Richtung rotiert. Um die gegenläufige Rotation zu erreichen, kann ein Zahnrad der entsprechenden Ausgleichswelle direkt mit einem Zahnrad der Kurbelwelle kämmen. Zum Erreichen eines gleichgerichteten Antriebs der anderen Ausgleichswelle wird dagegen regelmäßig ein Zwischenrad eingesetzt, das sowohl mit dem Zahnrad der Kurbelwelle als auch mit einem Zahnrad der Ausgleichswelle kämmt. Für den Eingriff des Zwischenrads in die Zahnräder der Ausgleichswelle bzw. der Kurbelwelle ist ein definiertes Zahnflankenspiel erforderlich, durch das insbesondere Fertigungs- und Montagetoleranzen, Maßänderungen durch Temperatureinflüsse sowie eine verschleißbedingte Zahndeformation ausgeglichen werden soll.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, bei einem gattungsgemäßen Verbrennungsmotor das Zahnflankenspiel des mit den Zahnrädern der Ausgleichswelle und der Kurbelwelle kämmenden Zwischenrads einfach einstellbar auszugestalten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Verbrennungsmotor gelöst, wie er strukturell im unabhängigen Patentanspruch 1 definiert ist. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Montage eines solchen Verbrennungsmotors ist Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 9. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor umfasst ein Gehäuse, eine innerhalb des Gehäuses rotierend gelagerte Kurbelwelle mit (mindestens) einem mit der Kurbelwelle drehfest verbundenen Zahnrad, zudem mindestens eine rotierbar gelagerte Ausgleichswelle mit (mindestens) einem damit drehfest verbundenen Zahnrad sowie einem die Zahnräder der Kurbelwelle und der Ausgleichswelle verbindenden Zwischen(zahn)rad. Das Zwischenrad dient der Erzeugung einer Drehrichtungsumkehr zwischen der Kurbelwelle und der Ausgleichswelle. Erfindungsgemäß ist das Zwischenrad drehbar auf einem Lagerbolzen gelagert, der wiederum radial verschiebbar in dem (bzw. in einer Wand des) Gehäuses) des Verbrennungsmotors gelagert ist. Durch die radiale Verschiebbarkeit ist es möglich, das Zahnflankenspiel des Zwischenrads mit den beiden damit kämmenden Zahnrädern exakt einzustellen. Durch die erfindungsgemäß weiterhin vorgesehene Möglichkeit zur (direkten oder indirekten) Fixierung des Zwischenrads an dem Gehäuse kann verhindert werden, dass sich das Zwischenrad nach dem Einstellen des Zahnflankenspiels ungewollt (in radialer Richtung) verschiebt.
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Diese Fixierbarkeit des Lagerbolzens an dem Gehäuse wird vorzugsweise über kraftschlüssig wirkende Befestigungsmittel erreicht, da durch solche eine stufenlose Einsteilbarkeit des Zahnflankenspiels realisiert werden kann.
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Um die Montagefreundlichkeit des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors weiter zu verbessern, kann vorzugsweise vorgesehen sein, den Lagerbolzen in einer separaten Buchse zu lagern, die selbst in einer Öffnung des Gehäuses gelagert ist. Beispielsweise kann dadurch ermöglicht werden, das Zwischenrad einschließlich eines dieses tragenden Rotationslagers, den Lagerbolzen und die Buchse als vormontierte Einheit durch die relativ große, für die Lagerung der Buchse vorgesehene Gehäuseöffnung in das Gehäuse einzusetzen und daran zu fixieren. Die Lagerung der Buchse in dem Gehäuse ist dabei vorzugsweise nicht in radialer Richtung verschiebbar, sondern die bedarfsweise radiale Verschiebbarkeit des Zwischenrads zur Einstellung des Zahnflankenspiels wird vielmehr durch eine entsprechende Lagerung des Lagerbolzens in der Buchse erreicht. Der Lagerbolzen ist demnach indirekt (über die Buchse) an dem Gehäuse fixierbar
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Der Lagerbolzen des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors kann vorzugsweise in einem ersten Abschnitt einen Werkzeugkopf, in einem zweiten Abschnitt einen zylindrischen Lagersitz sowie in einem dritten Abschnitt ein Außengewinde aufweisen. Das Außengewinde kann dazu dienen, ein Gewindeelement mit einem Innengewinde (vorzugsweise eine handelsübliche Gewindemutter) aufzunehmen, um insbesondere einen Innenring eines Rotationslager (vorzugsweise eines Wälzlagers), über den das Zwischenrad auf dem Lagerbolzen gelagert ist, und die die Lageröffnung umgebende Wand des Gehäuse bzw. der Buchse (oder eines anderen Zwischenelements) gegen den Werkzeugkopf des Lagerbolzens zu verspannen. Dadurch kann die bevorzugte kraftschlüssige Fixierung des Zwischenrads (in radialer Richtung) erreicht werden.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass bei einem montierten Zwischenrad der Lagerbolzen mit dem das Außengewinde aufweisenden Abschnitt innerhalb des Gehäuses positioniert ist, während der Werkzeugkopf außerhalb davon angeordnet ist. Dadurch kann eine einfache Montierbarkeit des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors erreicht werden, indem beispielsweise ein auf den Abschnitt mit dem Außengewinde aufgeschraubtes Gewindeelement über ein geeignetes Werkzeug, beispielsweise einen Ring- oder Maulschlüssel, gegengehalten wird und das Drehmoment zum Verschrauben mit einem geeigneten Werkzeug auf den Werkzeugkopf des Lagerbolzens ausgeübt wird.
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Für eine Vereinfachung der Montage kann zudem vorgesehen sein, dass der Lagerbolzen mit einer Längsbohrung versehen ist, die sich vorzugsweise ausgehend von dem Werkzeugkopf in einen Grundkörper des Lagerbolzens erstreckt. Diese Längsbohrung kann der Aufnahme eines Montagedorns dienen, über den der Lagerbolzen und das darauf gehaltene Zwischenrad während der Montage geführt bzw. mit der erforderlichen Montagekraft beaufschlagt werden kann.
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Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Montage eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenrad radial in einer Richtung, die mittig zwischen den beiden Kontaktmittelpunkten des Zwischenrads mit den Zahnrädern der Kurbelwelle und der Ausgleichswelle liegt, mit einer definierten Kraft beaufschlagt wird, um das Zahnflankenspiel einzustellen, und der Lagerbolzen daraufhin, d. h: nach dem Erreichen der gewünschten Position des Zwischenrads, fixiert wird.
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Um in einem solchen Verfahren auf einfache und sichere Weise ein definiertes Zahnflankenspiel zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass eines der Zahnräder mit einer Beschichtung versehen ist, die im Betrieb des Verbrennungsmotors kurzfristig, d. h. in einer die Lebensdauer des Verbrennungsmotors um ein Vielfaches unterschreitenden Zeitspanne, und besonders bevorzugt bereits in einem nur einige Minuten betragenden Probelauf des Verbrennungsmotors abgetragen wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Zwischenrad mit einer Kraft beaufschlagt wird, die zu einer Kraft in den beiden Kontaktmittelpunkten von ca. 90 N bis 110 N und insbesondere von ca. 100 N führt.
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Um die Kraft zur Montage sicher auf das Zwischenrad zu übertragen, kann vorzugsweise ein Übertragungselement zum Einsatz kommen, das eine kugelförmige Kontaktfläche aufweist. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Vollstift mit einer eingelagerten, ggf. im Durchmesser größeren (als der Vollstift) Kugel handeln. Bei dem Übertragungselement kann es sich vorzugsweise um einen Montagedorn handeln, der in eine zentrale Längsbohrung des Lagerbolzens eingesteckt wird und der somit die Montagekräfte auf den Lagerbolzen überträgt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigt:
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1 die erfindungswesentlichen Elemente eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors in einer isometrischen Darstellung;
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2 das in der 1 dargestellte Zwischenrad einschließlich seiner Lagerung in einem Längsschnitt;
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3 das in der 1 dargestellte Zwischenrad einschließlich seiner Lagerung in einer ersten isometrischen Ansicht;
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4 das in der 1 dargestellte Zwischenrad einschließlich seiner Lagerung in einer zweiten isometrischen Ansicht;
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5 in einer Prinzipskizze die für die Montage des Zwischenrads aufzubringenden Kräfte; und
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6 eine alternative Ausführungsform eines Zwischenrads einschließlich seiner Lagerung;
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In der 1 sind die erfindungswesentlichen Komponenten eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors dargestellt. Ein Zahnrad 10 einer (nicht dargestellten) Kurbelwelle ist direkt oder indirekt mit jeweils einem Zahnrad von zwei Ausgleichswellen verbunden. Das Zahnrad 12 der ersten Ausgleichswelle 14 kämmt direkt mit dem Zahnrad 10 der Kurbelwelle, wodurch sich eine gegensinnige Drehrichtung der Kurbelwelle und der ersten Ausgleichwelle 14 ergibt. Um dagegen die zweite Ausgleichswelle 16 in gleicher Drehrichtung wie die Kurbelwelle anzutreiben, erfolgt deren Antrieb über ein Zwischenrad 18, das sowohl mit dem Zahnrad 10 der Kurbelwelle als auch mit dem Zahnrad 20 der zweiten Ausgleichwelle kämmt. Zur Erzielung eines möglichst geräuscharmen Laufs sind alle Zahnräder schrägverzahnt. Sowohl die Kurbel- und Ausgleichswellen 14, 16 als auch die damit verbundenen Zahnräder 10, 12, 20 und das Zwischenrad 18 befinden sich innerhalb eines (Zylinderkurbel-)Gehäuses 22 (in der 1 nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors.
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Details des Zwischenrads 18 und seiner Lagerung ergeben sich aus den 2 bis 4. Das Zwischenrad 18 selbst ist über ein Wälzlager 24 auf einem Lagerbolzen 26 gelagert, der hierfür in einem Abschnitt einen zylindrischen Lagersitz 28 aufweist. Auf der einen Seite des Lagersitzes 28 schließt sich ein Werkzeugkopf 30 an, der zum einen einen ringförmigen Absatz 32 und zum anderen Schlüsselflächen 34 aufweist. An den Schlüsselflächen 34 kann ein herkömmliches Sechskant-Werkzeug. ansetzen. Auf der anderen Seite des Lagersitzes 28 schließt sich ein im Durchmesser verkleinerter Abschnitt mit einem Außengewinde 36 an. Auf diesen Abschnitt kann ein Gewindeelement in Form einer herkömmlichen, mit einem Absatz 38 versehenen Gewindemutter 40 aufgeschraubt werden. Der Absatz 38 der Gewindemutter 40 berührt eine Seite eines Innenrings 42 des Wälzlagers 24, während die andere Seite des Innenrings 42 an einem ringförmigen inneren Absatz 44 einer Buchse 46 abgestützt ist. Die Buchse 46 dient der Lagerung der vormontierten Einheit aus Zwischenrad 18 und dessen Lagerung in dem Gehäuse 22 des Verbrennungsmotors. Hierzu ist die Buchse 46 mit einer radialen Lagerfläche 48 und einem ringförmigen äußeren Absatz 50 versehen. Dieser Absatz 50 verhindert ein zu weites Eindringen des Zwischenrads 18 in das Gehäuse 22 und dient somit zur Positionierung des Zwischenrads 18 in dessen axialer Richtung. Der Lagerbolzen 26 ist zudem mit einer Sacklochbohrung versehen, die sich ausgehend von dem Werkzeugkopf 30 in den Lagerbolzen 26 erstreckt. Diese Sacklochbohrung dient der Aufnahme eines Montagedorns 52, über den die Einheit bei der Montage geführt und mit der erforderlichen Montagekraft beaufschlagt werden kann.
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Für eine Positionierung in radialer Richtung weist die zentrale Öffnung der Buchse 46; die der Aufnahme des Lagerbolzens 26 dient, einen Innendurchmesser auf, der größer als der Außendurchmesser des Lagerbolzens 26 in dem den Lagersitz 28 ausbildenden Abschnitt ist. Bei nicht angezogener Gewindemutter 40 kann somit der Lagerbolzen 26 einschließlich des darauf gelagerten Zwischenrads 18 in Grenzen in radialer Richtung relativ zu der Buchse 46 und folglich auch zu dem Zahnrad 10 der Kurbelwelle und dem Zahnrad 20 der zweiten Ausgleichswelle 16 verschoben werden. Zur Fixierung des Zwischenrads 18 in einer (Relativ-)Position wird dann die Gewindemutter 40 angezogen, wodurch der Innenring 42 des Wälzlagers 24 und der innere Absatz 44 der Buchse 46 zwischen dem Werkzeugkopf 30 und der Gewindemutter 40 verspannt werden. Die Position des Zwischenrads 18 wird dadurch kraftschlüssig fixiert.
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Zur Erzielung eines möglichst leisen und reibungsarmen Laufs ist es erforderlich, ein definiertes Zahnflankenspiel zwischen den einzelnen kämmenden Zahnrädern einzustellen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, das Zahnflankenspiel zwischen dem Zwischenrad 18 und den mit diesem kämmenden Zahnrädern 10, 20 dadurch einzustellen, dass das Zwischenrad 18 vor der Montage mit einer Beschichtung versehen wird, die sich beim Betrieb des Verbrennungsmotors bereits während eines kurzen Probelaufs ablöst. Dann wird das Zwischenrad 18 mit definierter Kraft gegen die beiden mit diesem kämmenden Zahnrädern 10, 20 gedrückt und schließlich in der erreichten Position fixiert, indem die Gewindemutter 40 angezogen wird. Nachdem sich die Beschichtung des Zwischenrads 18 abgelöst hat, ist das gewünschte Zahnflankenspiel eingestellt.
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Das Aufbringen der Montagekraft, mit dem das Zwischenrad 18 gegen die angrenzenden Zahnräder gedrückt wird, erfolgt mittels des Montagedorns 52, der eine kugelförmige vordere Kontaktfläche aufweist. Über dieses wird eine Kraft, die radial durch das Zentrum des Zwischenrads 18 und weitgehend mittig bezüglich der beiden Kontaktpunkte (d. h. den Mittelpunkten der jeweils in Kontakt kommenden Flächen) zu den beiden benachbarten Zahnrädern 10, 20 gerichtet ist, aufgebracht, wie dies in der 5 dargestellt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, das Zwischenrad 18 mit einer Kraft von jeweils 102 N gegen die beiden benachbarten Zahnräder 10, 20 zu drücken. Hierzu ist eine Kraft von 60 N erforderlich, die mittels des Stößelelements aufgebracht werden muss.
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Die 6 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Lagerung für das Zwischenrad 18. Der dortige Lagerbolzen 126 ist für eine Montage in umgekehrter Richtung vorgesehen, so dass sich dessen Werkzeugkopf 130 innerhalb des Gehäuses 22 befindet, während das Verspannen und somit das radiale Positionieren des Zwischenrads 18 durch das Aufschrauben einer Gewindemutter 140 von außerhalb des Gehäuses 22 auf den ein Außengewinde 136 aufweisenden Abschnitt des Lagerbolzens 126 erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zahnrad
- 12
- Zahnrad
- 14
- erste Ausgleichswelle
- 16
- zweite Ausgleichswelle
- 18
- Zwischenrad
- 20
- Zahnrad
- 22
- Gehäuse
- 24
- Wälzlager
- 26
- Lagerbolzen
- 28
- Lagersitz
- 30
- Werkzeugkopf
- 32
- Absatz
- 34
- Schlüsselfläche
- 36
- Außengewinde
- 38
- Absatz
- 40
- Gewindemutter
- 42
- Innenring
- 44
- innerer Absatz
- 46
- Buchse
- 48
- Lagerfläche
- 50
- äußerer Absatz
- 52
- Montagedorn
- 126
- Lagerbolzen
- 130
- Werkzeugkopf
- 140
- Gewindemutter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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