-
Die Erfindung betrifft eine Massenausgleichvorrichtung für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine.
-
Die freien Massenkräfte von Hubkolben-Brennkraftmaschinen werden typischerweise durch einen Lanchester-Ausgleich kompensiert. Die Kurbelwelle der Hubkolben-Brennkraftmaschine bringt dafür Massenausgleichvorrichtungen zum Rotieren, die durch eine Unwucht die freien Massenkräfte der Hubkolben-Brennkraftmaschinen kompensieren.
-
Die Drehungleichförmigkeit der Kurbelwelle regt allerdings Eigenschwingungen der Massenausgleichvorrichtung an, die zu akustischem Lärm führt.
-
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Massenausgleichvorrichtung bereitzustellen, die die Lärmentwicklung durch die Eigenschwingungen der Massenausgleichvorrichtung verringert.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Massenausgleichvorrichtung für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Lagerring, einer Ausgleichswelle und einer Rotationsachse, wobei die Ausgleichswelle zwei Endabschnitte, wenigstens ein zwischen den Endabschnitten vorgesehenes Massenausgleichsgewicht und wenigstens einen Lagerabschnitt aufweist, wobei die Innenwand des Lagerrings auf einer ersten Seite des Lagerabschnitts lediglich teilweise aufliegt.
-
Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, dass die Ausgleichswelle nur punktförmig und/oder in einem Abschnitt auf einem Teil des Lagerrings aufliegt. Dies ermöglicht Verkippungen der Ausgleichswelle, sodass die Eigenschwingungen nicht vollständig aufs Lager wirken. Auf diese Weise wird die relative Verkippung zwischen Lagerring und Ausgleichswelle ermöglicht und die Lagerlebensdauer verlängert.
-
Der Lagerring kann ein von der Ausgleichswelle separates Bauteil sein. Beispielsweise können zwei oder mehr Lagerringe vorgesehen sein. In diesem Fall weist die Ausgleichswelle entsprechend zwei oder mehr Lagerabschnitte auf und das Massenausgleichgewicht ist größtenteils zwischen den beiden Lagerabschnitten angeordnet.
-
Der Lagerring liegt vorzugsweise nur auf der ersten Seite direkt auf der Ausgleichswelle auf.
-
Zum Beispiel liegt der Mittelpunkt des Lagerrings auf der Rotationsachse. Es ist insbesondere vorgesehen, dass der Schwerpunkt der Ausgleichswelle außerhalb der Rotationsachse liegt, da die Rotation der Ausgleichswelle sonst keine Unwucht erzeugt.
-
Beispielsweise variiert der Abstand zwischen der Innenwand des Lagerrings und der ersten Seite des Lagerabschnitts entlang der Rotationsachse. Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Innenwand auf der ersten Seite in der axialen Mitte des Lagerabschnitts aufliegt. Die Eigenschwingungen der Ausgleichswelle können sich dadurch über die Lagerabschnitte hinweg ausbreiten und werden weniger auf die Lager übertragen.
-
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die erste Seite des Lagerabschnitts konvex, insbesondere ballig ausgeführt. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige Herstellung der erfindungsgemäßen Massenausgleichvorrichtung.
-
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Innenwand des Lagerrings konvex, insbesondere ballig ausgeführt ist. Dies ist eine weitere Möglichkeit, eine möglichst kostengünstige Massenausgleichvorrichtung herzustellen.
-
Es kann vorgesehen sein, dass zwei Lagerringe und zwei Lagerabschnitte vorhanden sind. In diesem Fall ist das Massenausgleichgewicht vor allem zwischen den beiden Lagerabschnitten angeordnet.
-
Beispielsweise kann der Durchmesser und/oder die Breite der zwei Lagerringe unterschiedlich sein. Es ist auch vorstellbar, dass die zwei Lagerabschnitte unterschiedlich ausgeführt sind, insbesondere eine unterschiedliche Breite haben.
-
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Ausgleichswelle wenigstens eine Vertiefung auf, die den Lagerabschnitt teilweise bildet. Der Lagerabschnitt kann somit auf einfache Weise, zum Beispiel durch Fräsen, Drehen, Schleifen und/oder einer ähnlichen mechanischen Bearbeitungsform hergestellt werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Massenausgleichvorrichtung einen Motorring auf, der um den Lagerring angeordnet ist und mit dem Lagerring zusammen ein Lager bildet. Dies ist eine besonders kostengünstige Möglichkeit, die Massenausgleichvorrichtung in der Hubkolben-Brennkraftmaschine zu lagern.
-
Dieses Lager kann unter anderem ein Wälzlager sein und zwischen dem Motorlager und dem Lagerring können Wälzkörper angeordnet sein.
-
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Lagerabschnitt eine zweite Seite auf, die der ersten Seite entgegengesetzt ist, und die Massenausgleichvorrichtung weist ein elastisches Element, insbesondere ein federelastisches Element auf, das zwischen dem Lagerring und der zweiten Seite angeordnet ist und das die Ausgleichwelle gegenüber dem Lagerring positioniert und/oder vorspannt. Das elastische Element bietet eine besonders effektive Möglichkeit die Eigenschwingungen der Ausgleichswelle zu dämpfen.
-
Beispielsweise ist das federelastische Element ein ringförmiger Clip. Der ringförmige Clip kann die Schwingungen der Ausgleichswelle gut dämpfen.
-
Das federelastische Element kann einen Formabschluss zwischen der Ausgleichswelle und dem Lagerring darstellen. Durch den Formabschluss wird die Wirkung des Federelementes weiter verbessert.
-
Unter „Formabschluss“ wird im Rahmen dieser Erfindung verstanden, dass der Zwischenraum zwischen dem Lagerring und der Ausgleichswelle im Wesentlichen vollständig durch den ringförmigen Clip verschlossen wird.
-
Alternativ kann das federelastische Element den Bereich zwischen der Ausgleichswelle und dem Lagerring nur teilweise ausfüllen, beispielsweise durch eine federförmige und/oder streifenförmige Verbindung.
-
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Ausgleichswelle eine Versteifungsrippe auf. Die Versteifungsrippe reduziert die Durchbiegung der Ausgleichswelle und ermöglicht eine Trimmung der Frequenz der Eigenschwingung der Ausgleichswelle. Die Versteifungsrippe kann gegossen und/oder geschmiedet sein und/oder beispielsweise aus Stahl, Aluminium oder Kunststoff, insbesondere aus einem kohlestofffaserverstärkten Material gefertigt sein.
-
Um die Herstellungskosten zu senken, kann die Ausgleichswelle einstückig gefertigt sein.
-
Die Ausgleichswelle kann beispielsweise aus einem Material, welches nicht wälzlagerfähig sein muss, hergestellt sein. Somit ist eine breite Werkstoffpalette gegeben, die sich nicht nur auf Stahl begrenzt. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige Fertigung der Ausgleichswelle und damit der Massenausg leichvorrichtu ng.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 eine perspektivische Darstellung einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Massenausgleichvorrichtung,
- - 2 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Massenausgleichvorrichtung,
- - 3 einen Längsschnitt durch die Massenausgleichvorrichtung nach 2,
- - 4 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Massenausgleichvorrichtung im Längsschnitt,
- - 5 eine perspektivische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Massenausgleichvorrichtung,
- - 6 eine perspektivische Darstellung des federelastischen Elements der Massenausgleichvorrichtung nach 5.
-
1 zeigt eine Hubkolben-Brennkraftmaschine 10 mit vier Hubkolben 12, die eine Kurbelwelle 14 antreiben. Über Zahnräder 16 werden zwei Massenausgleichvorrichtungen 18 angetrieben, die die auftretenden Massenkräfte der Hubkolben-Brennkraftmaschine 10 ausgleichen. Die Massenausgleichvorrichtungen 18 sind über Motorringe 20 in einem Gehäuse der Hubkolben-Brennkraftmaschine 10 gelagert.
-
Die Massenausgleichvorrichtungen 18 werden durch Öffnungen 22 in die Hubkolben-Brennkraftmaschine 10 eingebracht. Das Einbringen ist durch Pfeile in 1 angedeutet.
-
2 zeigt eine perspektivische Ansicht auf eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Massenausgleichvorrichtung 18. Die Massenausgleichvorrichtung 18 weist zwei Lagerringe 24 und eine Ausgleichswelle 26 auf.
-
Während des Betriebs der Hubkolben-Brennkraftmaschine 10 rotiert die Massenausgleichvorrichtung 18 um eine Rotationsachse 28 und gleicht durch die Unwucht der Ausgleichswelle 26 die entstehenden Massenkräfte der Hubkolben-Brennkraftmaschine 10 in an sich bekannter Weise aus.
-
Die Motorringe 20 und die Lagerringe 24 bilden zusammen typischerweise die Lagerung der Massenausgleichvorrichtung 18. Die Motorringe 20 sind im Gehäuse der Hubkolben-Brennkraftmaschine 10 vormontiert und die Lagerringe 24 werden konzentrisch im Inneren der Motorringe 20 angebracht.
-
Beispielsweise können zwischen den Lagerringen 24 und den Motorringen 20 Wälzkörper, wie zum Beispiel Nadeln, angeordnet sein. Die Lagerung der Massenausgleichvorrichtung 18 kann somit ein Wälzlager sein.
-
Alternativ kann auch ein Gleitmittel vorgesehen sein und die Lagerung der Massenausgleichvorrichtung 18 als Gleitlager ausgeführt sein.
-
Die Lagerringe 24 und die Motorringe 20 können handelsüblich aus einem Lagerstahl, wie zum Beispiel 100 Cr6, gefertigt sein.
-
Die Ausgleichswelle 26 weist zwei Endabschnitte 30, ein Massenausgleichsgewicht 32 und zwei Lagerabschnitte 34 auf. Die Steifigkeit der Ausgleichswelle 26 kann durch eine Versteifungsrippe 36 erhöht werden.
-
In der ersten Ausführungsform in 2 hat die Ausgleichswelle 26 zudem ein Antriebsabschnitt 38, durch das die Verbindung zu den Zahnrädern 16 realisiert wird.
-
Die Ausgleichswelle 26 ist einstückig gefertigt und die Lagerabschnitte 34 sind teilweise durch Vertiefungen 42 auf der von der Rotationsachse 28 entfernten Seite der Ausgleichswelle 26 realisiert. Die Vertiefungen 42 können halbkreisförmig sein und beispielsweise durch Fräsen erzeugt werden.
-
Die Lagerringe 24 und die Ausgleichswelle 26 sind separate Bauteile, wobei die Lagerringe 24 in den Lagerabschnitten 34 der Ausgleichswelle 26 vorgesehen sind. Die Lagerringe 24 und der zugehörige Lagerabschnitt 34 bilden jeweils ein Lager 43 der Ausgleichswelle 26.
-
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Lagerringe 24 und zwei Lagerabschnitte 34 und daher zwei Lager 43 vorgesehen. Selbstverständlich können auch mehr als zwei Lager 43 vorgesehen sein.
-
Die Lagerringe 24 sind konzentrisch zueinander an der Ausgleichswelle 26 montiert und die Mittelpunkte der Lagerringe 24 liegen auf der Rotationsachse 28.
-
Ein elastisches Element 40 der Massenausgleichvorrichtung 18, insbesondere ein federelastisches Element, positioniert die Lagerringe 24 gegenüber der Ausgleichswelle 26 und/oder spannt die Lagerringe 24 gegenüber der Ausgleichswelle 26 vor.
-
Zur Montage werden die Lagerringe 24 über die Endabschnitte 30 bis zu den Lagerabschnitten 34 geführt.
-
3 zeigt einen Längsschnitt durch eines der Lager 43 der Druckkolben-Brennkraftmaschine 10. Es ist zu sehen, dass das Lager 43 einen Außenring 44 und einen Innenring 46 aufweist. Der Innenring 46 aus 3 entspricht dem Lagerring 24 aus 2 und der Außenring 44 entspricht dem Motorring 20 aus 1.
-
Zwischen dem Außenring 44 und dem Innenring 46 ist ein Lagermaterial 48 vorgesehen. Das Lagermaterial 48 kann zum Beispiel ein Wälzkörper oder ein Gleitmittel sein.
-
Der Lagerabschnitt 34 weist eine erste Seite 50 auf, die durch die Vertiefung 42 gebildet ist, und eine zweite Seite 56, die zur ersten Seite 50 entgegengesetzt ist.
-
Die Vertiefung 42 hat Seitenwände 49, die senkrecht zur Rotationsachse 28 ausgeführt sind.
-
Der Boden der Vertiefung 42, der die erste Seite 50 des Lagerabschnitts 34 darstellt, ist dagegen in Längsrichtung bzw. axialer Richtung konkav ausgeführt, sodass eine konkave oder ballige Anlagefläche 52 für den Innenring 46 des Lagers 43 gebildet wird.
-
Die erste Seite 50 des Lagerabschnitts 34 besitzt damit zwei Krümmungsradien, einen in axialer Richtung und einen in radialer Richtung der Rotationsachse 28.
-
Die Innenwand 54 des Innenrings 46 ist im Bereich der ersten Seite 50 in axialer Richtung eben ausgeführt und der Lagerabschnitt 34 liegt mit der Anlagefläche 52 auf der Innenwand 54 des Innenrings 46 auf.
-
Die Innenwand 54 des Lagerrings 24 liegt somit auf der ersten Seite 50 des Lagerabschnitts 34 lediglich teilweise auf.
-
Beispielsweise ist die axiale Mitte des Lagerabschnitts 34 ein Teil, insbesondere die Mitte der Anlagefläche 52.
-
Der Abstand zwischen der ersten Seite 50 des Lagerabschnitts 34 und der Innenwand 54 des Innenrings 46 variiert in axialer Richtung. Im Bereich der Anlagefläche 52 ist der Abstand gleich oder nahe null und vergrößert sich in Richtung zu den Seitenwände 49 hin.
-
In der ersten Ausführungsform ist die zweite Seite 56 des Lagerabschnitts 34 eben ausgeführt, sodass das elastische Element 40 eine ebene Kontaktfläche mit der Ausgleichswelle 26 hat.
-
In dieser ersten Ausführungsform ist das elastische Element 40 eine Feder, die an der zweiten Seite 56 des Lagerabschnitts 34 und an der Innenwand 54 des Innenrings 46 befestigt ist. Beispielsweise liegen die Stelle der Innenwand 54, an der das elastische Element 40 befestigt ist, und die Stelle der Innenwand 54, die in Kontakt mit der Anlagefläche 52 ist, einander diametral gegenüber.
-
Durch die konkave Ausgestaltung der Anlagefläche 52 treten Eigenschwingungen der Ausgleichswelle 26 nicht direkt auf den Lagerring über, wodurch die Geräuschentwicklung gesenkt wird. Außerdem kann das elastische Element 40 die Eigenschwingungen dämpfen.
-
Die 4, 5 und 6 zeigen weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Massenausgleichvorrichtung 18, die im Wesentlichen der ersten Ausführungsform entsprechen. Im Folgenden wird daher nur auf die Unterschiede eingegangen. Gleiche und funktionsgleiche Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
In 4 ist eine zweite Ausführungsform der Massenausgleichvorrichtung 18 dargestellt. Der ballige Sitz der Ausgleichswelle 26 in dem Innenring 46 wird in der zweiten Ausführungsform in 4 durch eine konkave, insbesondere ballige Innenwand 54 des Innenrings 46 realisiert. Der Innenring 46 hat somit zumindest in dem der ersten Seite 50 zugeordneten Bereich in axialer Richtung eine konkave Form.
-
Die erste Seite 50 des Lagerabschnitts 34 ist dagegen gerade, d.h. parallel zur Rotationachse 28 ausgeführt.
-
Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass in der zweiten Ausführungsform die Anlagefläche 52 punktförmig ausgeführt ist. Der Innenring 46 hat dementsprechend nur einen Kontaktpunkt 58 mit der Ausgleichswelle 26. Der Kontaktpunkt 58 entspricht der axialen Mitte des Lagerabschnitts 34.
-
Selbstverständlich ist es denkbar, dass sowohl die Anlagefläche 52 des Lagerabschnitts 34 als auch die Innenwand 54 des Innenrings 46 konkav ausgeführt sind.
-
5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Massenausgleichvorrichtung 18 in einer perspektivischen Ansicht. Die erste Seite 50 des Lagerabschnitts 34 kann wie zur ersten oder zweiten Ausführungsform beschrieben gebildet sein oder eine Mischung daraus sein.
-
In dieser dritten Ausführungsform ist das elastische Element 40 als Clip 60 ausgeführt. Der Clip 60 besteht insbesondere aus einem elastischen Material, wie Gummi oder einem elastischen Thermoplast, und ist in 6 vergrößert dargestellt.
-
Alternativ kann das elastische Element 40 auch aus einem federnden Stahl oder Blech sein und beispielsweise als Feder ausgeführt sein.
-
Der Clip 60 weist einen im Wesentlichen hohlzylindrischen Grundkörper 62, der eine Außenkontur 64 hat, und einen Kragenabschnitt 66 auf.
-
Der Kragenabschnitt 66 geht von einer Stirnseite des Grundkörpers 62 radial nach außen ab.
-
Die Außenkontur 64 entspricht in Form und Größe dem Bereich der Massenausgleichvorrichtung 18 zwischen der zweiten Seite 56 des Lagerabschnitts 34 und der Innenwand 54 des Innenrings 46.
-
In diesem Bereich ist der Clip 60, insbesondere der Grundkörper 62, angeordnet und liegt formschlüssig an der zweiten Seite 56 des Lagerabschnitts 34 und der Innenwand 54 des Innenrings 46 an. Der Clip 60 stellt somit einen Formabschluss zwischen der Ausgleichswelle und dem Lagerring dar.
-
Der Kragenabschnitt 66 greift in axialer Richtung an den Innenring 46 an und verhindert somit eine Bewegung des Clips 60 in axialer Richtung.
-
Selbstverständlich lassen sich die verschiedenen Merkmale der gezeigten Ausführungsformen beliebig miteinander kombinieren. Insbesondere sind die als Unterschiede aufgezählten Merkmale unabhängig und können in verschiedener Weise auch in einer der anderen Ausführungsformen vorhanden sein.
