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Die Erfindung betrifft eine Ausgleichswelleneinheit für einen Massenausgleich einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einer Welle, die bezüglich einer Hauptachse der Ausgleichswelleneinheit drehbar gelagert ist, wenigstens einem an der Welle vorgesehenen Ausgleichsgewicht und einem an der Welle vorgesehenen Zahnrad, wobei das Zahnrad einen Zahnradkörper und eine äußere Verzahnung aufweist, die koaxial zu einer Verzahnungsachse des Zahnrads ausgerichtet ist.
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Massenausgleichseinheiten mit Ausgleichswellen haben den Zweck, die bei Verbrennungskraftmaschinen entstehenden Massenkräfte und/oder Massenmomente zu kompensieren. Zu diesem Zweck ist das an der Welle vorgesehene Ausgleichsgewicht bezüglich der Drehachse der Welle exzentrisch angeordnet, d.h. das Ausgleichsgewicht wirkt als Unwucht. Die Ausgleichswelle steht in Antriebsverbindung mit der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine. Hierfür kämmt das genannte Zahnrad der Ausgleichswelle mit einem zugeordneten Antriebszahnrad, das unmittelbar an der Kurbelwelle vorgesehen ist oder von dieser angetrieben wird. Das Zahnrad besitzt zu diesem Zweck eine äußere Verzahnung, die bezüglich einer so genannten Verzahnungssache rotationssymmetrisch ist. Diese äußere Verzahnung ist an einem Zahnradkörper gebildet, der typischerweise ein Zylinder ist.
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Die Ausgleichswelle ist typischerweise mittels zweier Lager an einem Gehäuse der Ausgleichswelleneinheit oder unmittelbar an dem Kurbelgehäuse der Verbrennungskraftmaschine gelagert. Die Lager können ein jeweiliges Wälzlager oder ein jeweiliges Gleitlager umfassen. Die genannte Hauptachse der Ausgleichswelleneinheit ist insbesondere durch die Lageröffnungen des zugeordneten Gehäuses definiert. Die Welle besitzt im Bereich der Lager typischerweise Lagerzapfen, deren Symmetrieachsen und Verbindungsachse die Achse der Welle definieren.
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Bei bestimmten Motortypen, beispielsweise bei Reihenmotoren mit vier Zylindern, werden derartige Ausgleichswellen paarweise eingesetzt, wobei die Ausgleichswellen mit der doppelten Kurbelwellendrehzahl gegenläufig rotieren. Eine derartige Ausgleichswelleneinheit ist aus der
EP 1 222 411 B1 bekannt. Bei anderen Motortypen, beispielsweise mit drei Zylindern, müssen Massenmomente erster Ordnung kompensiert werden, wobei eine einzige Ausgleichswelle vorgesehen ist, an der zwei Ausgleichsgewichte axial versetzt zueinander in einer diametralen Gegenüberstellung vorgesehen sind. Eine derartige Ausgleichswelleneinheit ist aus der
DE 10 2006 051 996 A1 bekannt.
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Die an der Unwucht der Ausgleichswelle angreifende Fliehkraft kann dazu führen, dass auch das Zahnrad der Ausgleichswelle während der Rotation eine geringfügig exzentrische Lage bezüglich der Hauptachse der Ausgleichswelleneinheit einnimmt. Mit anderen Worten rotiert in diesem Fall das Zahnrad der Ausgleichswelle nicht nur um die eigene Achse, sondern der Mittelpunkt des Zahnrads rotiert auch um die (fest stehende) Hauptachse der Ausgleichswelleneinheit. Dies führt zu einer oszillierenden Änderung des Abstands zwischen dem Zahnrad der Ausgleichswelle und dem zugeordneten Antriebszahnrad. Dies kann zu einer unerwünschten Geräuschbildung (so genanntes Verzahnungsrasseln) und zu Festigkeits- und Haltbarkeitsproblemen führen.
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Dieses Problem ist beispielsweise in dem Dokument
DE 10 2006 032 592 A1 beschrieben, wobei dieses Dokument für zwei gegenläufig rotierende Ausgleichswellen vorschlägt, einen jeweiligen Rundlauffehler der Zahnräder zu vermessen und die Zahnräder der beiden Ausgleichswellen relativ zu dem jeweiligen Ausgleichsgewicht gerichtet zu verbauen. Diese Vorgehensweise löst jedoch nicht die Probleme, die aus einer Schrägstellung der Ausgleichswelle resultieren können. Eine derartige Schrägstellung der Ausgleichswelle relativ zu der Hauptachse kann insbesondere bei einem Drei-Zylinder-Motor mit einer einzigen Ausgleichswelle auftreten, an der zwei Ausgleichsgewichte in einer diametralen Gegenüberstellung vorgesehen sind (Taumelbewegung der Welle).
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Ausgleichswelleneinheit zu schaffen, bei der trotz Schrägstellung und Taumelbewegung der Welle eine unerwünschte Geräuschbildung vermieden wird und eine hohe Festigkeit und Haltbarkeit gewährleistet werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch, dass die Verzahnungsachse der äußeren Verzahnung des Zahnrads bezüglich der Hauptachse der Ausgleichswelleneinheit geneigt ist.
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Bei geeigneter, d.h. schräger Ausrichtung der Verzahnungsachse des Zahnrads bezüglich der Hauptachse der Ausgleichswelleneinheit kann die Schrägstellung der Welle während einer Taumelbewegung der Welle kompensiert werden. Eine Taumelbewegung der Wellenachse bei Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, die aufgrund von Lagerspiel und der insbesondere bei hohen Drehzahlen großen einwirkenden Fliehkräfte nicht vollständig zu verhindern ist, führt dann nicht mehr zu oszillierenden Änderungen des Abstandes zwischen dem Zahnrad der Ausgleichswelle und einem zugeordneten Antriebszahnrad. Vielmehr kann durch die erfindungsgemäße Ausgleichswelleneinheit gewährleistet werden, dass gerade bei taumelnder Rotation der Welle die genannten Zahnräder kontinuierlich korrekt ineinander greifen. Insbesondere kann erreicht werden, dass – zumindest bei für konventionelle Ausgleichswelleneinheiten kritischen Drehzahlen – die Verzahnungsachse des genannten Zahnrads der Ausgleichswelle im Wesentlichen parallel zu der Verzahnungsachse des zugeordneten Antriebszahnrads ausgerichtet ist. Auf diese Weise kann das so genannte Verzahnungsrasseln vermieden werden. Außerdem werden die betroffenen Bauteile, insbesondere die Zahnräder und die Welle, weniger belastet, was sich positiv auf die Festigkeit und Haltbarkeit der gesamten Ausgleichswelleneinheit auswirkt.
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Die Welle der Ausgleichswelleneinheit ist beispielsweise mittels zweier Lager drehbar an einem Gehäuse der Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs oder an einem eigenen Gehäuse der Ausgleichswelleneinheit gelagert, wobei es sich bei den Lagern um Gleitlager oder Wälzlager handeln kann. Das oder die Ausgleichsgewichte können entweder durch eine geeignete Verbindung oder dadurch, dass sie integral mit der Welle ausgebildet sind, starr an der Welle angeordnet sein. Es kann sich dabei insbesondere um zwei Ausgleichsgewichte handeln, die axial zueinander versetzt in einer diametralen Gegenüberstellung an der Welle vorgesehen sind. Eine derartige Anordnung ist geeignet, Massenmomente, die bei Betrieb der Verbrennungskraftmaschine auftreten, auszugleichen.
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Bei dem an der Welle vorgesehenen Zahnrad handelt es sich um ein Zahnrad mit Außenverzahnung (Stirnrad). Das Zahnrad ist an der Welle starr angeordnet und kann dazu an der Welle geeignet befestigt oder integral mit der Welle ausgebildet sein. Ein weiteres Zahnrad kann an der Welle vorgesehen sein, das als Synchronstufe für eine Antriebsverbindung mit einer weiteren Welle der Ausgleichswelleneinheit dienen kann.
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Das an der Welle der Ausgleichswelleneinheit vorgesehene Zahnrad weist einen Zahnradkörper und eine äußere Verzahnung auf. Die durch den Wälzkreis des Zahnrads (so genannter Teilkreis) über die gesamte Dicke des Zahnrads definierte Fläche kann der Mantelfläche eines regulären Zylinders oder der Mantelfläche eines gescherten Zylinders entsprechen. Ein gescherter Zylinder entsteht, wenn die eine Stirnseite eines regulären Zylinders relativ zu der anderen Stirnseite gedanklich parallel versetzt wird. Die Achse dieses (regulären oder gescherten) Zylinders entspricht der genannten Verzahnungsachse des Zahnrads. Bei diesen beiden Ausführungsformen kann der Wälzkreis des Zahnrads kreisrund oder aber auch oval, insbesondere elliptisch sein. Letzteres ist der Fall, wenn aus einer Zylindermantelfläche durch zwei parallele Ebenen ein geschlossener Streifen ausgeschnitten wird, wobei der Abstand der beiden Ebenen der Dicke des Zahnrads entspricht und die beiden Ebenen in einem von 90° verschiedenen Winkel zur Zylinderachse ausgerichtet sind.
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Die im Zusammenhang mit der Erfindung genannten relativen Ausrichtungen der Verzahnungsachse zu anderen Achsen der Ausgleichswelleneinheit beziehen sich auf die Ruhestellung der Welle, d.h. der Lage der Welle bei Stillstand. In der Ruhestellung ist die Welle koaxial zu der Hauptachse der Ausgleichswelleneinheit ausgerichtet. Die geneigte Ausrichtung der Verzahnung des Zahnrads im Sinne einer Zylindermantelfläche bedeutet nicht notwendigerweise einen Versatz des Zentrums der Mantelfläche von der ursprünglichen Achse des Zylinders weg. Mit anderen Worten resultiert aus der erfindungsgemäß geneigten Ausrichtung der Verzahnungsachse bezüglich der Hauptachse der Ausgleichswelleneinheit nicht zwangsläufig eine Exzentrizität des Zahnradkörpers oder der Verzahnung. Eine derartige Exzentrizität kann jedoch zusätzlich vorgesehen sein.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen und nachfolgend beschrieben.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Zahnradkörper eine Symmetrieachse auf, und die Verzahnungsachse des Zahnrads ist bezüglich dieser Symmetrieachse des Zahnradkörpers geneigt. Beispielsweise kann der Zahnradkörper im Wesentlichen einem Zylinder entsprechen, wobei sich jedoch die äußere Verzahnung im Wesentlichen entlang der Mantelfläche eines wie oben beschriebenen gedanklichen anderen Zylinders erstreckt. Die Neigung der Verzahnungsachse ist bevorzugt derart gewählt, dass bei einer typischen Taumelbewegung der Wellenachse während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine die Verzahnung des Zahnrads gerade ideal mit der Verzahnung des zugeordneten Antriebszahnrads abwälzt. Vorzugsweise fällt die Symmetrieachse des Zahnradkörpers bei Stillstand der Ausgleichswelle mit der Hauptachse der Ausgleichswelleneinheit und mit der Achse der Welle zusammen. Es ist alternativ möglich, dass die Symmetrieachse des Zahnradkörpers bezüglich der Hauptachse parallel versetzt ist. Dies entspricht einem absichtlichen zusätzlichen Rundlauffehler des Zahnrads, der in Verbindung mit der Neigung der Verzahnungsachse das Abwälzen des Zahnrads während einer Taumelbewegung der Welle weiter verbessern kann, da nicht nur eine Kompensation der Ausrichtung der Verzahnungsachse, sondern auch eine Kompensation des Abstands zwischen dem Zahnrad und dem zugeordneten Antriebszahnrad während einer Taumelbewegung der Welle erfolgt.
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Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass der Zahnradkörper in einer orthogonalen Ausrichtung relativ zu der Wellenachse an der Ausgleichswelle angeordnet sein kann. Dies vereinfacht die Montage der Ausgleichswelleneinheit, wenn das Zahnrad separat von der Welle gebildet ist.
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Die Herstellung einer Verzahnung, deren Verzahnungsachse gegenüber der Hauptachse der Ausgleichswelleneinheit geneigt ist, kann bei dieser Ausführungsform auf einfache Weise dadurch erfolgen, dass das Zahnrad geneigt gegenüber der üblichen Ausrichtung in eine herkömmliche Bearbeitungsmaschine eingespannt wird. Das Zahnrad kann sozusagen „taumelnd“ (jedoch zentrisch) in die Bearbeitungsmaschine eingespannt werden, um eine geneigte Verzahnung aufzubringen. Die Herstellung der Verzahnung kann aber auch auf andere Art und mit anderen Mitteln erfolgen, die andere und/oder mehr Formen einer geneigten Verzahnung ermöglichen.
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In einer alternativen Ausführungsform weist der Zahnradkörper eine Symmetrieachse auf, die bezüglich der Hauptachse der Ausgleichswelleneinheit und bezüglich der Achse der Welle geneigt ist, und die Verzahnungsachse des Zahnrads fällt mit der Symmetrieachse des Zahnradkörpers zusammen. Es handelt sich folglich bei der durch den Wälzkreis der Verzahnung über die Dicke des Zahnradkörpers definierten Fläche in diesem Fall um die Mantelfläche eines regulären Zylinders (d.h. die Zylinderachse steht senkrecht zu den Stirnseiten des Zylinders), wobei der Querschnitt des Zylinders kreisrund oder oval sein kann. Die besondere Anpassung zur Verbesserung des Abwälzens des Zahnrads mit dem zugeordneten Antriebszahnrad erfolgt hier nicht durch die Neigung der Verzahnung gegenüber dem Zahnradkörper, sondern durch eine Neigung des Zahnradkörpers gegenüber der Wellenachse. Bei einer zweiteiligen Ausführung von Zahnrad und Welle kann diese Neigung beispielsweise durch eine geneigte Verbindung von Zahnrad und Welle auf einfache Weise erreicht werden.
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Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die äußere Verzahnung des Zahnrads relativ zum Zahnradkörper auf herkömmliche Weise hergestellt werden kann.
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Vorzugsweise liegt bei dieser Ausführungsform der Mittelpunkt des Zahnradkörpers auf der Hauptachse der Ausgleichswelleneinheit und dementsprechend auf der Wellenachse. Er kann aber auch bezüglich der Hauptachse versetzt sein, um durch einen zusätzlichen Rundlauffehler des Zahnrads das Abwälzen des Zahnrads während einer Taumelbewegung der Welle weiter zu verbessern (Abstandskompensation).
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Die beiden vorgenannten Ausführungsformen können auch miteinander kombiniert werden, d.h. an einem Zahnradkörper mit einer bezüglich der Hauptachse geneigten Symmetrieachse ist eine äußere Verzahnung vorgesehen, deren Verzahnungsachse bezüglich der Symmetrieachse des Zahnradkörpers geneigt ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Ausgleichswelleneinheit auf eine maximal zulässige Drehzahl der Welle ausgelegt, die sich insbesondere aus der maximal zulässigen Drehzahl der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine und dem Übersetzungsverhältnis zwischen der Welle der Antriebseinheit und der Kurbelwelle ergibt. Durch die Abweichung der Ausrichtung der Achse der Welle von der Ausrichtung der Hauptachse im Falle einer Rotation mit der maximal zulässigen Drehzahl der Welle wird ein Maximalneigungswert definiert, der eine obere Grenze für die Neigung der Verzahnungsachse des Zahnrads bezüglich der Hauptachse darstellt. Die geneigte Ausrichtung der Verzahnungsachse bezüglich der Hauptachse kann jedoch im Hinblick auf eine akustisch oder festigkeitsseitig besonders kritische Drehzahl gewählt sein, die nicht unbedingt einer maximalen Taumelbewegung der Welle der Ausgleichswelleneinheit entsprechen muss, sondern geringer gewählt ist als der genannte Maximalneigungswert. Insbesondere kann durch eine asymmetrische Endbearbeitung der Verzahnung eine Optimierung hinsichtlich der besonders kritischen Drehzahl erfolgen. Die Asymmetrie kann dabei durch die Form des Wälzkreises der Verzahnung (z.B. oval), durch die Form und Anordnung der Zähne der Verzahnung oder auf andere Art vorliegen.
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Die Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert.
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1a, 1b, 2a und 2b zeigen schematische Seitenansichten zweier Ausführungsformen einer Ausgleichswelleneinheit jeweils bei (a) Stillstand und (b) Rotation der Welle.
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In 1a ist eine Welle 11 einer Ausgleichswelleneinheit parallel zu einer Hauptachse H der Ausgleichswelleneinheit ausgerichtet und befindet sich im Stillstand. Die Welle 11 ist durch zwei Lager 13 gelagert und weist zwei Ausgleichsgewichte 15 auf, die bezüglich der Wellenachse axial zueinander versetzt und in einer diametralen Gegenüberstellung an der Welle 11 angeordnet sind. An einem Ende der Welle 11 ist ein Zahnrad 17 angeordnet, das einen Zahnradkörper 19 und eine äußere Verzahnung 21 aufweist. Die äußere Verzahnung 21 ist koaxial zu einer Verzahnungsachse V des Zahnrads 17 ausgerichtet. Die Symmetrieachse des Zahnradkörpers 19 fällt mit der Hauptachse H der Ausgleichswelleneinheit und mit der Achse der Welle 11 zusammen, während die Verzahnungsachse V des Zahnrads 17 bezüglich der Hauptachse H, der Wellenachse und der Symmetrieachse des Zahnradkörpers 19 geneigt ist, d.h. um einen von 0° (Null Grad) verschiedenen Winkel schräg ausgerichtet ist. Das Zahnrad 17 kämmt mit einem weiteren Zahnrad 23. Im in 1a dargestellten Fall des Stillstands der Welle 11 sind die Verzahnung 21 des Zahnrads 17 und eine äußere Verzahnung 25 des Zahnrads 23 nicht ideal zueinander ausgerichtet, d.h. die Verzahnungsachse V des Zahnrads 17 und die Verzahnungsachse V' des weiteren Zahnrads 23 verlaufen nicht parallel zueinander.
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In 1b ist die in 1a gezeigte Ausgleichswelleneinheit in Betrieb, d.h. bei Rotation der Welle 11 gezeigt. Durch die Wirkung der Ausgleichsgewichte 15 als Unwucht vollzieht die Welle 11 eine Taumelbewegung, die dazu führt, dass die Achse der Welle 11 innerhalb eines durch die Lager 13 gegebenen Lagerspiels eine von der Ausrichtung entlang der Hauptachse H abweichende Ausrichtung einnimmt. Durch diese Abweichung bei einer typischen Drehzahl kommen jedoch die Verzahnungsachse V des Zahnrads 17 und die Hauptachse H der Ausgleichswelleneinheit zur Überlagerung. Auf diese Weise greifen die Verzahnungen 21 und 25 der Zahnräder 17 und 23 bei Betrieb ideal ineinander, d.h. die Verzahnungsachsen V und V' verlaufen nun parallel zueinander.
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Die in 2a gezeigte Ausführungsform weist dieselben auch in 1a und 1b gezeigten Elemente auf, wobei die Symmetrieachse des Zahnradkörpers 19 des Zahnrads 17 hier bezüglich der Hauptachse H geneigt ist und mit der Verzahnungsachse V des Zahnrads 17 zusammenfällt. Wiederum sind in dem in 2a gezeigten Zustand des Stillstands die Verzahnungen 21 und 25 der Zahnräder 17 und 23 nicht ideal zueinander ausgerichtet. Dagegen wird, wie in 2b gezeigt, bei Rotation der Welle 11 durch die Taumelbewegung der Welle 11 die Verzahnungsachse V des Zahnrads 17 entlang der Hauptachse H der Ausgleichswelleneinheit ausgerichtet, was dann zu einer verbesserten Ausrichtung der Verzahnungen 21 und 25 der Zahnräder 17 und 23 führt (parallele Verzahnungsachsen V und V').
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Welle
- 13
- Lager
- 15
- Ausgleichsgewicht
- 17
- Zahnrad
- 19
- Zahnradkörper
- 21
- Verzahnung
- 23
- Zahnrad
- 25
- Verzahnung
- H
- Hauptachse
- V, V'
- Verzahnungsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1222411 B1 [0004]
- DE 102006051996 A1 [0004]
- DE 102006032592 A1 [0006]
