DE102022106397A1

DE102022106397A1 - inertial force balancing system

Info

Publication number: DE102022106397A1
Application number: DE102022106397.6A
Authority: DE
Inventors: Frank Haubner
Original assignee: FEV Group GmbH
Current assignee: FEV Group GmbH
Priority date: 2022-03-18
Filing date: 2022-03-18
Publication date: 2022-05-19

Abstract

Ein Massenkraftausgleichssystem 1 zur Verwendung mit einer Verbrennungskraftmaschine, umfasst eine erste Welle 10 für die Einbringung eines Drehmoments für einen Massenkraftausgleich, die mit einer zweiten Welle 20 drehbar gekoppelt ist. Und es besteht eine Drehgeschwindigkeitsübersetzung für das Drehmoment zu einer dritten Welle 30, die innerhalb oder außerhalb der ersten 10 oder zweiten Welle 20 gelagert ist.An inertial force balancing system 1 for use with an internal combustion engine comprises a first shaft 10 for introducing torque for inertial force balancing, which is rotatably coupled to a second shaft 20 . And there is a rotational speed translation for the torque to a third shaft 30, which is mounted inside or outside the first 10 or second shaft 20.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Massenkraftausgleichssystem, insbesondere zur Verwendung mit einer Verbrennungskraftmaschine und auf eine Verbrennungskraftmaschine.The present invention relates to an inertial force balancing system, particularly for use with an internal combustion engine and to an internal combustion engine.

Verbrennungskraftmaschinen, die insbesondere nach dem Hubkolbensystem arbeiten, weisen aufgrund von den Hubkolben oszillierende Massen auf, die zu unerwünschten Schwingungen im Motorbetrieb und zur Beeinträchtigung der Rundlaufeigenschaften des Motors führen. So ist es bekannt, einen Massenkraftausgleich bereitzustellen, bei dem angepasste Massen mit angepasster Drehgeschwindigkeit und angepasster Winkellage verwendet werden, um so Massenträgheitskräfte, die sich aus den oszillierenden Massen ergeben, zu kompensieren.Internal combustion engines, which work in particular according to the reciprocating piston system, have oscillating masses due to the reciprocating pistons, which lead to undesirable vibrations during engine operation and to an impairment of the smooth-running properties of the engine. So it is known to provide an inertia force compensation, are used in the adjusted masses with adjusted rotational speed and adjusted angular position, so as to compensate for mass inertia forces resulting from the oscillating masses.

Bei einem Lanchester-Massenkraftausgleich von Schwingungen erster Ordnung werden zwei Wellen gegensinnig angetrieben, dabei mittig zu einer Kraftwirkrichtung der Massenträgheitskräfte des Verbrennungsmotors ausgerichtet und mit entsprechenden Unwuchten versehen, um die Massenträgheitskräfte des oder der Kolben zu kompensieren. Entsprechend können auch Kräfte zweiter Ordnung kompensiert werden. Die Ordnungen ergeben sich aus der Fourieranalyse der Schwingungen. Die erste Ordnung beschreibt Schwingungen mit einer Frequenz, die der Motordrehzahl entspricht, die zweite Ordnung entsprechend doppelter Motordrehzahl.In a Lanchester inertial force compensation of first-order vibrations, two shafts are driven in opposite directions, aligned centrally to a direction of action of the inertial forces of the internal combustion engine and provided with appropriate imbalances to compensate for the inertial forces of the piston or pistons. Accordingly, second-order forces can also be compensated. The orders result from the Fourier analysis of the oscillations. The first order describes vibrations with a frequency that corresponds to the engine speed, the second order corresponds to twice the engine speed.

Grundsätzlich gilt, dass bei einer größeren Anzahl von Kolben der Verbrennungskraftmaschine über Massen, die an den unterschiedlichen Bereichen der Kurbelwelle angeordnet sind, bereits ein teilweiser Massenkraftausgleich realisiert werden kann. Entsprechend ist die vorliegende Entwicklung insbesondere auf einen Massenkraftausgleich gerichtet, der zum Einsatz bei Ein- oder Zweizylindermaschinen kommt.Basically, with a larger number of pistons of the internal combustion engine, a partial inertial force compensation can already be realized via masses that are arranged on the different areas of the crankshaft. Accordingly, the present development is aimed in particular at inertial force compensation, which is used in one- or two-cylinder machines.

Aus DE 42 11 629 A1 ist ein Massenkraftausgleich bekannt, der vier mit Exzentern versehene Ausgleichswellen aufweist und aus DE 10 2020 120 268 B3 ist ein Massenkraftausgleichssystem mit einer Hohlwelle bekannt.Out of DE 42 11 629 A1 is a mass force balance is known, which has four eccentrics provided with balance shafts and from DE 10 2020 120 268 B3 a mass force compensation system with a hollow shaft is known.

Die vorliegende Erfindung soll ein Massenkraftausgleichssystem bereitstellen, bei dem ein Massenkraftausgleich der ersten und der zweiten Ordnung ermöglicht wird und dabei die Anforderungen an den Bauraum minimiert werden. Auch das Gewicht des Gesamtsystems soll optimiert, also reduziert, werden.The present invention is intended to provide an inertial force compensation system in which an inertial force compensation of the first and second order is made possible and the requirements for installation space are minimized. The weight of the entire system should also be optimized, i.e. reduced.

Die vorliegende Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The present object is solved with the features of the independent claims. Preferred developments are the subject matter of the dependent claims.

Erfindungsgemäß wird ein Massenkraftausgleichssystem, insbesondere zur Verwendung mit einer Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt, wobei eine erste Welle für die Einbringung eines Drehmoments für einen Massenkraftausgleich mit einer zweiten Welle drehbar gekoppelt ist. Und es wird das Drehmoment über eine Drehgeschwindigkeitsübersetzung zu einer dritten Welle geleitet, die innerhalb oder außerhalb der ersten oder zweiten Welle gelagert ist. Der Begriff „außerhalb“ bedeutet dabei insbesondere, dass die erste oder zweite Welle innerhalb der dritten Welle gelagert sein kann. Der Begriff „Drehgeschwindigkeitsübersetzung“ ist hier in einem allgemeinen Sinne zu verstehen, so dass sie auch eine Untersetzung der Drehgeschwindigkeit umfassen kann. Diese Untersetzung kann dann vorliegen, wenn (anders als in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen) die Drehmomenteinleitung in eine Welle vorgesehen ist, die für den Massenkraftausgleich der zweiten Ordnung vorgesehen ist. Auf die beschriebene Weise wird ein Welle-in-Welle-Konzept realisiert. Dies ist zunächst einmal sehr platzsparend. Da das Massenkraftausgleichsystem mit seiner Wirkrichtung fluchtend zur Wirkrichtung der Massenkräfte des Motors ausgerichtet sein muss, wird es häufig unterhalb des Motors angeordnet, wo häufig wenig Platz ist. Auch ist dieses Konzept deshalb vorteilhaft, da die Außenwelle (also die Hohlwelle) konzeptbedingt einen relativ großen Durchmesser aufweist. Da die Wirksamkeit der Massen der Unwuchten des Ausgleichssystems mit einem großen Hebelarm zu der Drehachse steigt, erleichtert der große Durchmesser der Hohlwelle die Montage der Unwuchten, da insbesondere die Notwendigkeit eines radialen Arms, an dem die Unwucht befestigt ist ggf. wegfällt oder zumindest reduziert wird.According to the invention, an inertial force compensation system is provided, in particular for use with an internal combustion engine, a first shaft being rotatably coupled to a second shaft for introducing a torque for inertial force compensation. And the torque is transmitted via a rotational speed transmission to a third shaft, which is mounted inside or outside the first or second shaft. The term “outside” means in particular that the first or second shaft can be mounted inside the third shaft. The term “rotational speed step-up” is to be understood here in a general sense, so that it can also include a reduction in the rotational speed. This reduction can be present when (unlike in the following exemplary embodiments) the introduction of torque is provided in a shaft which is provided for the inertial force compensation of the second order. A wave-in-wave concept is realized in the manner described. First of all, this is very space-saving. Since the direction of action of the mass force compensation system must be aligned with the direction of action of the mass forces of the engine, it is often arranged underneath the engine, where there is often little space. This concept is also advantageous because the outer shaft (ie the hollow shaft) has a relatively large diameter due to the concept. Since the effectiveness of the masses of the imbalances of the balancing system increases with a large lever arm to the axis of rotation, the large diameter of the hollow shaft facilitates the assembly of the imbalances, since in particular the need for a radial arm to which the imbalance is attached may be eliminated or at least reduced .

Insbesondere kann eine vierte Welle vorgesehen sein, die innerhalb oder außerhalb der ersten oder zweiten Welle gelagert ist und die über das Drehmoment antreibbar ist. Der Begriff „außerhalb“ bedeutet insbesondere, dass die erste oder zweite Welle innerhalb der vierten Welle gelagert sein kann. Insbesondere kann die vorstehend genannte erste oder zweite Welle, die jeweils andere Welle sein, als die Welle, die über eine Lagerung mit der dritten Welle verbunden ist. Der vorstehend genannte Begriff „außerhalb“ bezeichnet insbesondere umlaufend außerhalb und/oder dabei koaxial. Bevorzugt sind jeweils zwei der Wellen gleichartig aufgebaut, um so eine gewisse Symmetrie zu erhalten, um so über eine Schwingung zur Kompensation der Massenkräfte hinaus, keine weiteren Schwingungen zu erzeugen.In particular, a fourth shaft can be provided, which is mounted inside or outside the first or second shaft and can be driven via the torque. The term “outside” means in particular that the first or second shaft can be mounted inside the fourth shaft. In particular, the aforementioned first or second shaft can be the other shaft than the shaft that is connected to the third shaft via a bearing. The term “outside” mentioned above designates in particular circumferentially outside and/or thereby coaxially. In each case, two of the shafts are preferably constructed in the same way in order to obtain a certain symmetry so as not to generate any further oscillations beyond one oscillation to compensate for the mass forces.

Insbesondere kann dabei die vierte Welle unmittelbar mit der dritten Welle wie über eine Zahnradstufe gekoppelt sein, da dies eine einfache Möglichkeit der Erzeugung einer synchronen und/oder schlupffreien Bewegung (auch mit umgekehrtem Drehsinn) ist.In particular, the fourth shaft can be coupled directly to the third shaft as via a gear stage, since this is a simple way of generating a synchronous and/or slip-free movement (also with a reverse direction of rotation).

Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn an der ersten und der zweiten Welle jeweils Unwucht(en), wie insbesondere angeformte oder befestigte Massen angeordnet sind, die zur Kompensation von Kräften einer ersten Ordnung dienen. Diese Wellen sind bevorzugt die Hohlwellen. Da die Amplitude der ersten Ordnung typischerweise größer ist, als die der zweiten Ordnung, werden für die erste Ordnung größere Massen bzw. größere Hebelarme benötigt. So ist diese Anordnung konstruktiv relativ einfach, da eine Masse, die an der ersten oder zweiten (Hohl-)Welle befestigt ist, ohne besondere Maßnahmen automatisch relativ weit außenliegend ist. Es können also an einer Hohlwelle aufgrund des größeren Durchmessers diese Massen leichter angeordnet werden, da nicht z.B. radial vorstehende Arme benötigt werden zur Aufnahme der Massen. Allgemein sind an allen der genannten Wellen jeweils Unwuchten angeformt oder damit gekoppelt, die als Massenkraftausgleich dienen, wobei die Unwucht als eine hinzugefügte Masse oder als eine Ausnehmung ausgeformt sein kann.Furthermore, it can be advantageous if unbalance(s), such as in particular formed or attached masses, are arranged on the first and the second shaft, which are used to compensate for forces of a first order. These shafts are preferably the hollow shafts. Since the amplitude of the first order is typically greater than that of the second order, larger masses or larger lever arms are required for the first order. This arrangement is structurally relatively simple, since a mass that is attached to the first or second (hollow) shaft is automatically located relatively far outside without special measures. Due to the larger diameter, these masses can therefore be arranged more easily on a hollow shaft, since radially protruding arms, for example, are not required to accommodate the masses. In general, imbalances are formed on or coupled to all of the shafts mentioned, which serve to balance inertial forces, it being possible for the imbalance to be formed as an added mass or as a recess.

Entsprechend ergibt sich vorteilhafterweise, dass an der dritten und der vierten Welle jeweils Unwucht(en), wie insbesondere angeformte Massen angeordnet sind, zur Kompensation von Kräften einer zweiten Ordnung.Accordingly, it is advantageously the case that imbalance(s), such as in particular molded masses, are arranged on the third and fourth shaft in order to compensate for forces of a second order.

Eine weitere Ausgestaltung kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn zumindest eine Welle als eine Hohlwelle ausgeführt ist, welche einen rotationssymmetrischen Grundkörper aufweist, von dem sowohl nach radial außen, wie auch radial innen vorstehend Massen für einen Massenkraftausgleich angeordnet sind. Das Konzept der Hohlwellen ermöglicht es (anders als bei Vollwellen), dass an einer Innenseite eine Massenanhäufung angeordnet wird, die als Unwucht dient. Es können also gleichzeitig radial nach innen und außen vorstehende Bereiche jeweils als eine Unwucht wirken wodurch eine platzsparende Bauform realisiert wird.A further configuration can be particularly advantageous if at least one shaft is designed as a hollow shaft, which has a rotationally symmetrical base body, from which masses are arranged protruding both radially outwards and radially inward for mass force compensation. The concept of hollow shafts (in contrast to solid shafts) makes it possible for a mass accumulation to be arranged on the inside, which serves as an imbalance. Areas protruding radially inwards and outwards can thus simultaneously act as an imbalance, thereby realizing a space-saving design.

Bei einem entsprechenden Massenkraftausgleichssystem ist insbesondere zwischen der ersten und dritten Welle ein 2:1 Drehzahlübersetzungsverhältnis vorgesehen. Insbesondere oder alternativ kann bei weiteren und bevorzugt allen weiteren Drehmomentübertragungen der genannten Wellen keine Veränderung der Drehzahl vorgesehen sein, was eine einfache Bauform beschreibt. Bei den Drehzahlen wird insbesondere drehrichtungsunabhängig die Absolutgeschwindigkeit betrachtet. Dies gilt, wenn die erste Welle, also die Welle der Einleitung des Drehmoments, eine Welle zum Massenkraftausgleich von Kräften erster Ordnung ist. Wenn hingegen die erste Welle eine Welle zum Massenkraftausgleich von Kräften zweiter Ordnung ist, so ist insbesondere die genannte Drehzahlübersetzung eine 1:2 Übersetzung.With a corresponding inertial force compensation system, a 2:1 speed transmission ratio is provided in particular between the first and third shaft. In particular or alternatively, no change in the speed can be provided for further and preferably all further torque transmissions of the named shafts, which describes a simple design. In the case of the speeds, the absolute speed is considered in particular, independent of the direction of rotation. This applies if the first wave, i.e. the wave in which the torque is introduced, is a wave for inertial force compensation of first-order forces. If, on the other hand, the first shaft is a shaft for inertial force compensation of second-order forces, then in particular the speed ratio mentioned is a 1:2 ratio.

Insbesondere umfasst das Massenkraftausgleichssystem Gehäuseelemente, mit denen an Lagerstellen zumindest eine der Hohlwellen gelagert ist und zumindest eine Ausgleichsmasse und zumindest ein Zahnrad bzw. Übertragungselement der Kopplung der unterschiedlichen Wellen sind axial zwischen den Lagerstellen und radial außerhalb zu einer Grundgeometrie der Hohlwelle angeordnet und die Ausgleichsmasse ist mechanisch mit dem Zahnrad gekoppelt. Diese Koppelung ist insbesondere unabhängig von der (Hohl-)welle. Erfindungsgemäß sind allgemein Ausgleichsmassen bevorzugt hinzugefügte Massen, die eine Unwucht schaffen, wobei aber auch Materialentfernungen ebenfalls als Ausgleichsmassen (dann mit negativem Vorzeichen) verstanden werden. Eine mechanische Kopplung von einem Zahnrad mit der Masse ist eine einfache konstruktive Ausführungsform, denn das Zahnrad muss in jedem Fall sicher mit der Welle verbunden (oder Teil derselben) sein und die Anbringung von einer Ausgleichsmasse benachbart oder an dem Zahnrad ist eine technisch einfache Ausführungsform.In particular, the mass force compensation system includes housing elements with which at least one of the hollow shafts is mounted at bearing points and at least one balancing mass and at least one gear wheel or transmission element of the coupling of the different shafts are arranged axially between the bearing points and radially outside of a basic geometry of the hollow shaft and the balancing mass is mechanically coupled to the gear. This coupling is in particular independent of the (hollow) shaft. According to the invention, balancing masses are generally added masses that create an imbalance, but material removals are also understood to be balancing masses (then with a negative sign). A mechanical coupling of a gear with the mass is a simple constructive embodiment, because the gear must in any case be securely connected to the shaft (or part of it) and the attachment of a balancing mass adjacent to or on the gear is a technically simple embodiment.

Auch können beim Massenkraftausgleichssystem an jedem der axialen Enden der innen liegenden Wellen Ausgleichsmassen exzentrisch angeordnet sein. Die Anordnung der Ausgleichsmassen an den Enden der inneren Wellen kann vorteilhaft sein, wenn die Ausgleichsmassen axial weiter außenliegend sind als die axialen Enden der Hohlwellen. Dadurch können die Ausgleichsmassen radial vorstehend sein, in Bereichen, wo sie sonst in Platzkonflikt mit den Hohlwellen kommen würden.Balancing masses can also be arranged eccentrically on each of the axial ends of the internal shafts in the inertia force balancing system. The arrangement of the balancing masses at the ends of the inner shafts can be advantageous if the balancing masses are axially further outward than the axial ends of the hollow shafts. As a result, the balancing masses can protrude radially in areas where they would otherwise conflict with the hollow shafts.

Unabhängig davon oder zusätzlich können bevorzugt die Hohlwellen ihre Unwuchten an mittigen Stellen aufweisen. Wenn die Hohlwellen für den Massenkraftausgleich der ersten Ordnung eingesetzt werden und weil die Amplitude der ersten Ordnung größer als die der zweiten Ordnung ist, ist eine mittige Masse vorteilhaft, da sie dann einfach in der Wirkrichtung der Massenkräfte des Motors platziert werden kann.Irrespective of this or in addition, the hollow shafts can preferably have their imbalances at central points. If the hollow shafts are used for first-order inertial force compensation and because the amplitude of the first order is greater than that of the second order, a central mass is advantageous because it can then be easily placed in the effective direction of the motor's inertial forces.

Insbesondere kann zumindest eine Hohlwelle mit äußeren Lagern in einem Gehäuse des Massenkraftausgleichssystem gelagert sein. Dabei sind zu einer axialen Positionierung der Hohlwelle relativ zum Gehäuse, an der Hohlwelle axial verspannende Anschlagflächen für die äußeren Lager vorgesehen. Und eine Innenwelle ist mit inneren Lagern relativ zur Hohlwelle gelagert, wobei zu einer axialen Positionierung der Innenwelle relativ zu der Hohlwelle axial verspannende Anschlagflächen für die inneren Lager vorgesehen sind. Gleichwertig und äquivalent wird angesehen, wenn eine Wirkumkehr vorliegt, bei der bei vorstehenden Merkmalen jeweils „axial verspannend“ gegen „axial auseinanderdrückend“ ersetzt ist. Mit beiden beschriebenen Ausführungsformen wird die Toleranzkette der Lagerung vereinfacht. So wird bestmöglich die Hohl- wie auch die Innenwelle gegenüber dem Gehäuse gelagert. Es kann eine gewisse axiale Verspannung erzielt werden, die die Lagerung verbessert und ein gewisses axiales Flattern der Hohl- oder Innenwelle aufgrund von axialem Spiel vermieden.In particular, at least one hollow shaft can be mounted with external bearings in a housing of the inertial force compensation system. In this case, for an axial positioning of the hollow shaft relative to the housing, axially bracing stop faces for the outer bearings are provided on the hollow shaft. And an inner shaft is with inner Bearings mounted relative to the hollow shaft, axially bracing stop faces for the inner bearings being provided for axial positioning of the inner shaft relative to the hollow shaft. It is considered to be equivalent if there is a reversal of action, in which “axially bracing” is replaced with “axially pushing apart” in the above features. The tolerance chain of the bearing is simplified with both of the described embodiments. In this way, the hollow shaft as well as the inner shaft is mounted in relation to the housing in the best possible way. A certain axial bracing can be achieved, which improves the storage and avoids a certain axial wobbling of the hollow or inner shaft due to axial play.

Insbesondere kann das Massenkraftausgleichssystem bei einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere bei einer Ein- oder Zweizylinderverbrennungskraftmaschine eingesetzt werden. Insbesondere ist vorteilhaft, wenn die Wirkrichtung des Massenkraftausgleichssystem komplanar und/oder mittig zu den Kolben des einen oder der Zylinder ausgerichtet ist. Bei einer aufrechten Montage des Motors ist der Massenkraftausgleich bevorzugt unter dem Motorblock angeordnet. Da hier üblicherweise der verfügbare Bauraum recht begrenzt ist, ist die sehr kompakte Bauweise durch die koaxialen Wellen aufgrund der Platzeinsparung vorteilhaft.In particular, the mass force compensation system can be used in an internal combustion engine, in particular in a one- or two-cylinder internal combustion engine. In particular, it is advantageous if the direction of action of the inertial force compensation system is aligned coplanarly and/or centrally with the piston of one or the cylinders. When the engine is mounted upright, the inertial force compensation is preferably arranged under the engine block. Since the available installation space is usually quite limited here, the very compact design due to the coaxial shafts is advantageous due to the space saving.

Die jeweils innen liegenden Wellen haben bevorzugt die gleiche Drehrichtung, wie die dazu koaxial außen liegenden äußeren Wellen. Dies kann insbesondere bedeuten, dass die innere Welle relativ zur äußeren Welle mit Motordrehzahl dreht und die äußere Welle relativ zum Gehäuse ebenfalls mit Motordrehzahl dreht. Dies hat Vorteile für die Gestaltung und Belastung der Rollenlager der inneren Welle.The respective inner shafts preferably have the same direction of rotation as the outer shafts lying coaxially thereto. This can mean in particular that the inner shaft rotates relative to the outer shaft at engine speed and the outer shaft also rotates relative to the housing at engine speed. This has advantages for the design and loading of the inner shaft roller bearings.

Auch kann insbesondere das Massenkraftausgleichssystem mit einem Verbraucher des Motordrehmoments verbunden sein. Der Verbraucher kann insbesondere an einer der freien Wellen angeschlossen sein, um einen oder weitere Verbraucher im Sinne von Nebenaggregaten anzutreiben. Dazu stehen dann die Drehzahlen zur Verfügung, die über die Übersetzungen im System der drei oder vier Ausgleichs-Wellen gegeben sind. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn das Massenkraftausgleichssystem zur Überbrückung einer räumlichen Distanz genutzt wird, oder wenn von einem Verbraucher eine veränderte (wie insbesondere eine erhöhte) Drehzahl benötigt wird.In particular, the mass force compensation system can also be connected to a consumer of the engine torque. In particular, the consumer can be connected to one of the free shafts in order to drive one or more consumers in the sense of auxiliary units. The speeds are then available for this, which are given by the translations in the system of the three or four balancer shafts. This can be particularly advantageous if the inertial force compensation system is used to bridge a spatial distance, or if a consumer requires a changed (such as in particular an increased) speed.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand vorteilhafter Ausführungsformen beispielhaft erläutert. Es zeigen die Figuren:

1 eine schematische Darstellung eines Massenkraftausgleichssystems nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
2, eine schematische Darstellung eines Massenkraftausgleichssystems nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform und
3 eine weitere schematische Darstellung bei der die Bereiche der Lagerungen der Wellen mit mehr Details ausgeführt sind.

The invention is explained below by way of example using advantageous embodiments. The figures show:

1 a schematic representation of a mass force compensation system according to a first preferred embodiment,
2 , a schematic representation of a mass force compensation system according to a second preferred embodiment and
3 a further schematic representation in which the areas of the bearings of the shafts are executed with more details.

Das Massenkraftausgleichssystem 1 der 1 zeigt linksseitig eine Zahnriemenscheibe 11 mit einem Zahnriemen über den das Massenkraftausgleichssystem 1 mit dem Drehmoment des Motors (nicht dargestellt) angetrieben wird. Die Zahnriemenscheibe 11 ist lediglich beispielhaft zu verstehen. Grundsätzlich sind sämtliche Antriebe verwendbar, über die der Motor schlupffrei mit der Massenkraftausgleichssystem 1 koppelbar ist. Hierzu zählen u.a. auch Kettenantriebe oder an Zahnräder gekoppelte Antriebselemente. Die Zahnriemenscheibe 11 ist drehsteif mit einer ersten Welle 10 gekoppelt, die vorliegend als eine Hohlwelle ausgeführt ist.The mass force compensation system 1 of 1 shows a toothed belt pulley 11 on the left with a toothed belt via which the inertial force compensation system 1 is driven with the torque of the engine (not shown). The toothed belt pulley 11 is only to be understood as an example. In principle, all drives can be used via which the motor can be coupled to the inertial force compensation system 1 without slippage. These also include chain drives or drive elements coupled to gears. The toothed belt pulley 11 is coupled in a torsionally rigid manner to a first shaft 10, which in the present case is designed as a hollow shaft.

Über eine 1:1-Koppelung, wie insbesondere einen Zahnradantrieb 19, der bevorzugt aus zwei Stirnzahnrädern bestehen kann, wird eine Welle 20 gegensinnig angetrieben. Die Welle 20 ist als eine Hohlwelle ausgeführt. An den Wellen 10 und 20 sind Massen 13 und 23 angebracht, die durch den Antrieb im Massenkraftausgleich eine oszillierende Kraft erzeugen, deren Richtung in einer Ebene senkrecht zu den beiden Wellen 10 und 20 liegt. Wenn der Massenkraftausgleich fluchtend mit einer Wirkrichtung der Kolben des Verbrennungsmotors angeordnet wird, können auf diese Weise Schwingungen der ersten Ordnung kompensiert werden. Die erste und zweite Welle 10, 20 sind jeweils über Lagerstellen 12, 22 mit einem Gehäuse 4 des Massenkraftausgleichssystems 1 gelagert.A shaft 20 is driven in opposite directions via a 1:1 coupling, such as in particular a gear drive 19, which can preferably consist of two spur gears. The shaft 20 is designed as a hollow shaft. On the shafts 10 and 20 masses 13 and 23 are attached, which generate an oscillating force through the drive in the mass force balance, the direction of which lies in a plane perpendicular to the two shafts 10 and 20. If the inertial force compensation is arranged in alignment with an effective direction of the pistons of the internal combustion engine, first-order vibrations can be compensated for in this way. The first and second shafts 10, 20 are each mounted on bearing points 12, 22 with a housing 4 of the inertial force compensation system 1.

Über eine Getriebestufe 29 ist die Welle 10 mit einer Welle 30 gekoppelt und die Welle 30 ist drehbar in der Welle 20 gelagert. Über eine Getriebestufe 39 ist die dritte Welle 30 mit einer vierten Welle 40 gekoppelt, die ihrerseits in der Welle 10 gelagert ist. Die genannten Lagerungen der dritten und vierten Welle 30, 40 umfassen jeweils zwei Lagerstellen 32 und 42 zur Lagerung in den Wellen 20 bzw. 10, die axial beabstandet sind. Bei der Getriebestufe 29 liegt eine zwei-zu-eins-Übersetzung vor, sodass die dritte Welle sich mit der doppelten Geschwindigkeit der ersten Welle 10 dreht. An den dritten und vierten Wellen 30, 40 sind Unwuchten 33 und 43 angeordnet, die dazu dienen, Schwingungen des Motors der zweiten Ordnung zu kompensieren.The shaft 10 is coupled to a shaft 30 via a gear stage 29 and the shaft 30 is rotatably mounted in the shaft 20 . The third shaft 30 is coupled via a gear stage 39 to a fourth shaft 40 , which in turn is mounted in the shaft 10 . The named bearings of the third and fourth shafts 30, 40 each comprise two bearing points 32 and 42 for bearing in the shafts 20 and 10, which are spaced apart axially. The gear stage 29 has a two-to-one ratio, so that the third shaft rotates at twice the speed of the first shaft 10 . Arranged on the third and fourth shafts 30, 40 are unbalance weights 33 and 43 which serve to compensate for second-order vibrations of the motor.

Die Ausführungsform der 2 ist relativ ähnlich zur Ausführungsform der 1, wobei aber die rechtseitig gezeigte Wand des Gehäuses 4 verschoben angeordnet ist. Es ist erkennbar, dass in 1 die Ausgleichsmassen 13, 23 der ersten und zweiten Welle 10 und 20, (in Achsrichtung) relativ mittig angeordnet sind. Und die Getriebestufen 19, 29 und 39 sind außerhalb der Wände des Gehäuse 4 angeordnet. Der Unterschied zur 2 liegt darin, dass die Getriebestufe 19 zur Drehmomentübertragung von der ersten Welle 10 zur zweiten Welle 20 innenliegend in dem Gehäuse 4 angeordnet ist. Dadurch ergibt sich eine unmittelbare räumlich Nähe der Ausgleichmassen 13 und 23 zu den Zahnrädern der Getriebestufe 19. Wie es in 2 schematisch angedeutet ist, so können die Ausgleichsmassen 13 und 23 an diesen Zahnrädern angebracht oder unmittelbar Teil der Zahnräder sein. Hierdurch ergeben sich Vorteile in der konstruktiven Ausgestaltung.The embodiment of 2 is relatively similar to the embodiment of FIG 1 , but the wall of the housing 4 shown on the right is arranged shifted. It can be seen that in 1 the balancing masses 13, 23 of the first and second shafts 10 and 20 are arranged relatively centrally (in the axial direction). And the gear stages 19, 29 and 39 are arranged outside the walls of the housing 4. The difference to 2 is that the gear stage 19 for torque transmission from the first shaft 10 to the second shaft 20 is arranged on the inside in the housing 4 . This results in an immediate spatial proximity of the balancing masses 13 and 23 to the gears of the gear stage 19. As is shown in 2 is indicated schematically, the balancing masses 13 and 23 can be attached to these gears or be part of the gears directly. This results in advantages in the structural design.

3 zeigt eine Darstellung, die weitgehend der Darstellung der 1 entspricht, die aber an unterschiedlichen Bereichen detailreicher ausgeführt ist. So ist bspw. die Lagerung der ersten und zweiten Welle 10, 20 in dem Gehäuse 4 konkret gezeigt. Dabei umfasst das Gehäuse 4 einen mittigen radial nach innen ragenden Bereich, der als axialer Anschlag für die Lager 12, 22 dient, die davon außen liegend sind. 3 shows a representation that largely corresponds to the representation of 1 corresponds, but which is executed in more detail in different areas. For example, the mounting of the first and second shafts 10, 20 in the housing 4 is specifically shown. In this case, the housing 4 comprises a central area which projects radially inwards and which serves as an axial stop for the bearings 12, 22 which are located on the outside thereof.

Die radial innen liegenden Passungen der Lager 12, 22, sind in den Hohlwellen 10 und 20 gelagert. Die Hohlwellen 10, 20 umfassen axial außen liegend von den Lagern 12, 22 Anschläge, über die die Hohlwellen 10, 22 axial positioniert werden. Die Lagerung der Wellen 30 und 40 in den Hohlwellen 10 und 20 sind entsprechend aufgebaut. Auf diese Weise der Lagerung ist es möglich, eine gewisse Verspannung zu erzielen und axiale Toleranzen der innen liegenden Wellen 30 und 40 relativ zu dem Gehäuse 4 zu reduzieren. Auch kann bei einer derartigen Ausgestaltung das Gehäuse einstückig aus einem Vollmaterial gefertigt werden, was die Toleranzen reduziert. Wenn die Lager jeweils von außen eingesteckt werden, wird die Montage erleichtert.The radially inner fits of the bearings 12, 22 are mounted in the hollow shafts 10 and 20. The hollow shafts 10, 20 comprise stops axially on the outside of the bearings 12, 22, via which the hollow shafts 10, 22 are positioned axially. The bearings of the shafts 30 and 40 in the hollow shafts 10 and 20 are constructed accordingly. In this manner of storage, it is possible to achieve a certain tension and to reduce axial tolerances of the internal shafts 30 and 40 relative to the housing 4 . In such a configuration, the housing can also be manufactured in one piece from a solid material, which reduces the tolerances. If the bearings are each inserted from the outside, assembly is facilitated.

Zudem sind in 3 die Unwuchten der Wellen 10 und 20 detailliert erkennbar. Gezeigt ist eine Stellung, bei der die Unwuchten dieser Wellen zueinander gerichtet sind. So zeigt 3 zunächst Unwuchten 13, 13c und 23, 23c, die lokal radial vorstehend an den Wellen 10 und 20 angeordnet sind. Die Unwuchten 13c und 23c sind zudem integrativ mit einem Zahnrad angeordnet, bzw. damit verbunden. Die Unwuchten 13b und 23b sind jeweils radial innenliegend in Bezug auf eine Grundgeometrie der entsprechenden Welle 10, 20 angeordnet. Eine derartige Anordnung ist bei herkömmlichen Vollmaterialwellen nicht möglich. Zudem ist jeweils auf der entgegengesetzten Seite der Wellen 10, 20 eine Ausnehmung 13d und 23d gezeigt. Diese Ausnehmungen können insbesondere als Freimachungen oder Bohrungen ausgeführt werden. Da die Wellen 10 und 20 als Hohlwellen ausgeführt sind, haben sie ein gutes Flächenträgheitsmoment. So kann auch eine Freimachung, die eine nennenswerte Größe ausmacht, besser akzeptiert werden, da sie die Gesamtfestigkeit der entsprechenden Welle kaum schädigt bzw. reduziert.In addition, 3 the imbalances of the shafts 10 and 20 can be seen in detail. A position is shown in which the imbalances of these shafts are directed towards one another. So shows 3 first unbalances 13, 13c and 23, 23c, which are arranged locally on the shafts 10 and 20, projecting radially. The unbalanced masses 13c and 23c are also arranged in an integrated manner with a gearwheel, or connected thereto. The imbalances 13b and 23b are each arranged radially on the inside with respect to a basic geometry of the corresponding shaft 10, 20. Such an arrangement is not possible with conventional solid shafts. In addition, a recess 13d and 23d is shown on the opposite side of the shafts 10, 20 in each case. These recesses can be designed in particular as clearances or bores. Since the shafts 10 and 20 are designed as hollow shafts, they have a good area moment of inertia. In this way, a clearance that is of a size worth mentioning can be better accepted, since it hardly damages or reduces the overall strength of the corrugation in question.

Auch ist sofort erkennbar, dass durch das Hohlwellenkonzept die Außendurchmesser der Hohlwellen 10, 20 größer sind, als dies bei Vollwellen sinnvollerweise gemacht werden würde. Es ist somit technisch besonders einfach realisierbar, die Unwuchten direkt benachbart zu der Welle anzuordnen und dabei mit einem guten Hebelarm zur Rotationsachse zu versehen. So können aufgrund des Hohlwellenkonzepts bei einer gleichen Massenkraftausgleichswirkung kleinere Massen unmittelbar an der Welle befestigt werden, als dies bei herkömmlichen Wellen sinnvollerweise möglich wäre. Ein weiterer Vorteil ergibt sich ferner dadurch, dass durch das Welle-in-Welle-Konzept der Gesamtbauraum für das Massenkraftausgleichssystem gegenüber herkömmlichen Bauweisen deutlich reduziert werden kann.It is also immediately recognizable that the outer diameters of the hollow shafts 10, 20 are larger due to the hollow shaft concept than would be the case with solid shafts. It is therefore technically particularly easy to implement to arrange the imbalances directly adjacent to the shaft and to provide them with a good lever arm relative to the axis of rotation. Due to the hollow shaft concept, smaller masses can be attached directly to the shaft with the same inertial force balancing effect than would be possible with conventional shafts. A further advantage also results from the fact that the shaft-in-shaft concept allows the overall installation space for the inertial force compensation system to be significantly reduced compared to conventional designs.

Die Getriebestufen 19, 29 und 39 sind bevorzugte Zahnradkombinationen. Diese können insbesondere als Schrägverzahnung, Splitgear-Verzahnung, als Hochverzahnung oder als gespannte oder geteilte Räder ausgeführt sein.The gear stages 19, 29 and 39 are preferred gear wheel combinations. These can be designed in particular as helical gearing, split gear gearing, as high gearing or as tensioned or divided gears.

Es bietet sich als vorteilhaft an, dass zwei der Wellen als Hohlwellen ausgeführt sind, in denen die beiden anderen Wellen gelagert sind. Aber auch andere Konzepte sind vom erfinderischen Gedanken mit umfasst, wie z.B. dass nur einmal eine Wellen-Hohlwellen-Lagerung zur Anwendung kommt. Auch sind diverse andere Konzepte der Drehmomentübertragung von den Wellen zueinander möglich. Beispielsweise kann bei der Welle-in-Welle-Verbindung ein Planetentrieb zum Einsatz kommen.It is advantageous if two of the shafts are designed as hollow shafts, in which the other two shafts are mounted. But other concepts are also included in the inventive idea, such as using a shaft/hollow shaft bearing only once. Various other concepts of torque transmission from the shafts to one another are also possible. For example, a planetary drive can be used in the shaft-in-shaft connection.

Als Lager können insbesondere Kugel- Walzen- oder Nadellager zum Einsatz kommen.In particular, ball, roller or needle bearings can be used as bearings.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 4211629 A1 [0005]DE 4211629 A1 [0005]
DE 102020120268 B3 [0005]DE 102020120268 B3 [0005]

Claims

Massenkraftausgleichssystem (1) zur Verwendung mit einer Verbrennungskraftmaschine, wobei eine erste Welle (10) für die Einbringung eines Drehmoments für einen Massenkraftausgleich mit einer zweiten Welle (20) drehbar gekoppelt ist, mit einer Drehgeschwindigkeitsübersetzung des Drehmoments zu einer dritten Welle (30), die innerhalb oder außerhalb der ersten (10) oder zweiten Welle (20) gelagert ist.Inertial force balancing system (1) for use with an internal combustion engine, wherein a first shaft (10) is rotatably coupled to a second shaft (20) for introducing torque for inertial force balancing, with a rotational speed transmission of the torque to a third shaft (30) which is mounted inside or outside the first (10) or second shaft (20).

Massenkraftausgleichssystem (1) gemäß Anspruch 1, mit einer vierten Welle (40), die innerhalb oder außerhalb der ersten (10) oder zweiten (20) Welle gelagert ist und über das Drehmoment antreibbar ist, wobei insbesondere die vorstehend genannte erste (10) oder zweite (20) Welle, die andere Welle ist, als die Welle, die über eine Lagerung mit der dritten Welle (30) verbunden ist.Inertial force compensation system (1) according to claim 1 , having a fourth shaft (40) which is mounted inside or outside the first (10) or second (20) shaft and can be driven via the torque, in particular the aforementioned first (10) or second (20) shaft, the shaft is different from the shaft that is connected to the third shaft (30) via a bearing.

Massenkraftausgleichssystem (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei an der ersten (10) und der zweiten (20) Welle jeweils Unwucht(en), wie insbesondere angeformte Massen, zur Kompensation von Kräften einer ersten Ordnung angeordnet sind.Inertia force compensation system (1) according to one of the preceding claims, wherein imbalance(s), such as in particular molded masses, are arranged on the first (10) and the second (20) shaft to compensate for forces of a first order.

Massenkraftausgleichssystem (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei zumindest eine Welle (10, 20) als eine Hohlwelle ausgeführt ist, welche einen rotationssymmetrischen Grundkörper hat, von dem sowohl nach radial außen, wie auch radial innen Massen (13, 13b, 13c, 13d, 23, 23b, 23c, 23d) für einen Massenkraftausgleich angeordnet sind.Inertial force compensation system (1) according to one of the preceding claims, wherein at least one shaft (10, 20) is designed as a hollow shaft which has a rotationally symmetrical base body from which masses (13, 13b, 13c, 13d, 23, 23b, 23c, 23d) are arranged for mass force compensation.

Massenkraftausgleichssystem (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei in einer Getriebestufe (29) zwischen der ersten (10) und dritten Welle (30) ein 2:1 Drehzahlübersetzungsverhältnis vorgesehen ist und insbesondere bei weiteren und bevorzugt allen weiteren Getriebestufen (19, 39) der genannten Wellen (10, 20, 30, 40) keine Veränderung der Drehzahl vorgesehen ist.Inertial force compensation system (1) according to one of the preceding claims, wherein a 2:1 speed transmission ratio is provided in a gear stage (29) between the first (10) and third shaft (30) and in particular in further and preferably all further gear stages (19, 39) of said shafts (10, 20, 30, 40) no change in speed is provided.

Massenkraftausgleichssystem (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Massenkraftausgleichssystem (1) Gehäuseelemente (4) umfasst, in denen an Lagerstellen (22) zumindest eine der Hohlwellen (20) gelagert ist und eine zumindest eine Ausgleichsmasse (23) und zumindest ein Zahnrad (26) der Kopplung der unterschiedlichen Wellen axial zwischen den Lagerstellen (22) und radial außerhalb zu einer Grundgeometrie der Hohlwelle (20) angeordnet ist und die Ausgleichsmasse (23) mit dem Zahnrad (26) gekoppelt ist.Inertial force balancing system (1) according to one of the preceding claims, wherein the inertial force balancing system (1) comprises housing elements (4) in which at least one of the hollow shafts (20) is mounted at bearing points (22) and at least one balancing mass (23) and at least one gear wheel (26) the coupling of the different shafts is arranged axially between the bearing points (22) and radially outside of a basic geometry of the hollow shaft (20) and the balancing mass (23) is coupled to the gear (26).

Massenkraftausgleichssystem (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei an jedem der axialen Enden der innen liegenden Wellen (30, 40) Ausgleichsmassen (33, 43) exzentrisch angeordnet sind und/oder an den zumindest einer der Hohlwellen (10, 20) eine Ausgleichsmasse (13, 23) in einem mittigen Bereich angeordnet ist.Mass force balancing system (1) according to one of the preceding claims, wherein balancing masses (33, 43) are arranged eccentrically on each of the axial ends of the internal shafts (30, 40). and or a balancing mass (13, 23) is arranged in a central area on at least one of the hollow shafts (10, 20).

Massenkraftausgleichssystem (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der zumindest eine Hohlwelle (10, 20) mit äußeren Lagern (12, 22) in einem Gehäuse (4) des Massenkraftausgleichssystem (1) gelagert ist, wobei zu einer axialen Positionierung der Hohlwelle (10, 20) relativ zum Gehäuse (4), an der Hohlwelle (10, 20) axial verspannende Anschlagflächen für die äußeren Lagern vorgesehen sind und eine Innenwelle (30,40) mit inneren Lagern (32, 42) an der Hohlwelle (10, 20) gelagert ist, wobei zu einer axialen Positionierung der Innenwelle (30, 40) relativ zu der Hohlwelle (10, 20) axial verspannende Anschlagflächen für die inneren Lager (32, 42) vorgesehen sind oder wobei eine Wirkumkehr vorliegt, bei der bei vorstehenden Merkmalen jeweils „axial verspannend“ gegen „axial auseinanderdrückend“ ersetzt ist.Inertial force compensation system (1) according to one of the preceding claims, in which at least one hollow shaft (10, 20) is mounted with external bearings (12, 22) in a housing (4) of the inertial force compensation system (1), with axial positioning of the hollow shaft ( 10, 20) relative to the housing (4), on the hollow shaft (10, 20) there are axially bracing stop surfaces for the outer bearings and an inner shaft (30, 40) with inner bearings (32, 42) on the hollow shaft (10, 20), axially bracing stop faces for the inner bearings (32, 42) being provided for axial positioning of the inner shaft (30, 40) relative to the hollow shaft (10, 20). or where there is a reversal of effect, in which “axially bracing” is replaced by “axially pushing apart” in the above features.

Massenkraftausgleichssystem (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei jeweils die inneren Wellen (30, 40) die gleichsinnige Drehrichtung, wie die zugehörigen äußeren Wellen (10, 20) aufweisen.Inertial force compensation system (1) according to one of the preceding claims, wherein the inner shafts (30, 40) each have the same direction of rotation as the associated outer shafts (10, 20).

Verbrennungskraftmaschine insbesondere eine Ein- oder Zweizylinderverbrennungskraftmaschine, mit einem Massenkraftausgleichssystem (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei insbesondere die Wirkrichtung des Massenkraftausgleichssystem (1) komplanar und/oder mittig zu den Kolben des einen oder der Zylinder ausgerichtet ist.Internal combustion engine, in particular a one- or two-cylinder internal combustion engine, with an inertial force balancing system (1) according to one of the preceding claims, in which in particular the direction of action of the inertial force balancing system (1) is aligned coplanar and/or centrally with the pistons of one or the cylinders.