DE102022118782A1 - Balance shaft and process for its manufacture - Google Patents

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Thomas Hußenether
Norbert Geyer
Hannes Schreyer
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    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/22—Compensation of inertia forces
    • F16F15/26—Compensation of inertia forces of crankshaft systems using solid masses, other than the ordinary pistons, moving with the system, i.e. masses connected through a kinematic mechanism or gear system
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Abstract

Vorgeschlagen sind eine Ausgleichswelle und ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Ausgleichswelle umfasst:
- eine Unwuchtwelle (1) mit einem endseitigen Antriebszapfen (2), stirnseitigen Zentrierbohrungen (16, 17) und einem Lagerzapfen (3, 4), dessen Umfang lediglich teilzylindrisch ist,
- und einen den Lagerzapfen umschließenden Lagerring (12), der mit einem Innenradius RL am zylindrischen Teilumfang (8) des Lagerzapfens anliegt, wobei der Innenradius RL des Lagerrings größer als der Hüllkreisradius rz des Lagerzapfens ist.
Der Hüllkreis (C) des Lagerzapfens ist mit den Zentrierbohrungen konzentrisch, wobei der Antriebszapfen zu den Zentrierbohrungen um die Radiendifferenz RL - rz exzentrisch und mit dem Lagerring konzentrisch ist.

Figure DE102022118782A1_0000
A balancer shaft and a method for producing it are proposed. The balance shaft includes:
- an unbalanced shaft (1) with an end drive pin (2), front centering bores (16, 17) and a bearing pin (3, 4), the circumference of which is only partially cylindrical,
- and a bearing ring (12) surrounding the bearing journal, which rests with an inner radius R L on the cylindrical partial circumference (8) of the bearing journal, the inner radius R L of the bearing ring being larger than the enveloping circle radius rz of the bearing journal.
The enveloping circle (C) of the bearing journal is concentric with the centering bores, with the drive journal being eccentric to the centering bores by the radius difference R L - rz and concentric with the bearing ring.
Figure DE102022118782A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Ausgleichswelle und ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Ausgleichswelle umfasst:

  • - eine Unwuchtwelle mit einem endseitigen Antriebszapfen, stirnseitigen Zentrierbohrungen und einem Lagerzapfen, dessen Umfang lediglich teilzylindrisch ist,
  • - und einen den Lagerzapfen umschließenden Lagerring, der mit einem Innenradius RL am zylindrischen Teilumfang des Lagerzapfens anliegt, wobei der Innenradius RL des Lagerrings größer als der Hüllkreisradius rz des Lagerzapfens ist.
The invention relates to a balancer shaft and a method for producing it. The balance shaft includes:
  • - an unbalanced shaft with an end drive pin, front centering bores and a bearing pin whose circumference is only partially cylindrical,
  • - and a bearing ring enclosing the bearing journal, which rests with an inner radius R L on the cylindrical partial circumference of the bearing journal, the inner radius R L of the bearing ring being larger than the enveloping circle radius rz of the bearing journal.

Ausgleichswellen dienen dem Ausgleich von Massenkräften und/oder -momenten in Hubkolbenbrennkraftmaschinen. Beispielsweise erfolgt der Massenausgleich einer Vierzylinder-Reihenmaschine durch zwei Ausgleichswellen, die mit doppelter Kurbelwellendrehzahl gegenläufig rotieren.Balancing shafts are used to balance mass forces and/or moments in reciprocating internal combustion engines. For example, the mass balancing of a four-cylinder in-line engine is carried out by two balancer shafts that rotate in opposite directions at twice the crankshaft speed.

Eine gattungsgemäße Ausgleichswelle mit einer Unwuchtwelle und einem darauf montierten Lagerring ist aus der DE 10 2019 101 320 A1 bekannt. Eine weitere Ausgleichswelle der eingangs genannten Art befindet sich aktuell in Hubkolbenbrennkraftmaschinen der Fa. BMW im Serieneinsatz. Die unterschiedliche Radiendimensionierung des Innenrings und des Lagerzapfens ist an diesen Serienteilen verwirklicht.A generic balancing shaft with an unbalance shaft and a bearing ring mounted on it is from the DE 10 2019 101 320 A1 known. Another balancing shaft of the type mentioned at the beginning is currently in series use in reciprocating internal combustion engines from BMW. The different radius dimensions of the inner ring and the bearing journal are implemented on these series parts.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung einer Ausgleichswelle der eingangs genannten Art erheblich zu vereinfachen.The present invention is based on the object of considerably simplifying the production of a balancing shaft of the type mentioned at the beginning.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich durch die Merkmale des Anspruchs 1. Demnach soll der Hüllkreis des Lagerzapfens mit den Zentrierbohrungen konzentrisch sein, wobei der Antriebszapfen zu den Zentrierbohrungen um die Radiendifferenz RL - rz exzentrisch und mit dem Lagerring konzentrisch ist. Wie nachfolgend erläutert, wird durch diese geometrische Gestaltung die spanende Bearbeitung der Unwuchtwelle zum Fertigteil erheblich vereinfacht. Bei der aktuellen Serienfertigung ist der Antriebszapfen der fertig bearbeiteten Unwuchtwelle mit deren Zentrierbohrungen konzentrisch. Da die betriebliche Drehachse der Ausgleichswelle konzentrisch zum Antriebszapfen und zum Lagerring ist und - zwecks Vermeidung bauteiltoleranzbedingter Verformungen des Lagerrings - der am Lagerzapfen anliegende Innenradius RL des Lagerrings größer als der Hüllkreisradius rz des Lagerzapfens ist, muss die Radiendifferenz RL - rz durch eine exzentrische Bearbeitung des Lagerzapfens zu den Zentrierbohrungen kompensiert werden. Diese Exzentrizität kann durch einen einfachen Drehprozess zwischen Spitzen in den Zentrierbohrungen selbstverständlich nicht erzeugt werden. Für die Bearbeitung ist vielmehr ein aufwändiger Fräsprozess oder ein aufwändiger exzentrischer Drehprozess mit entsprechend hohen Investitions- und und/oder Fertigungskosten erforderlich. Die vorliegende Erfindung beseitigt diesen Nachteil durch die genannte Exzentrizität des Antriebszapfens zu den Zentrierbohrungen, so dass die spanende Bearbeitung des Lagersitzes durch den vergleichsweise einfachen und kostengünstigen Drehprozess der Unwuchtwelle zwischen Spitzen in den Zentrierbohrungen ermöglicht ist. Die Exzentrizität des Antriebszapfens zu den Zentrierbohrungen kann ebenfalls vergleichsweise einfach durch Drehen oder Fräsen des Antriebszapfens mittels eines Glockenwerkzeugs erfolgen.The solution to this problem results from the features of claim 1. Accordingly, the enveloping circle of the bearing pin should be concentric with the centering holes, with the drive pin being eccentric to the centering holes by the radius difference R L - rz and concentric with the bearing ring. As explained below, this geometric design significantly simplifies the machining of the unbalanced shaft into the finished part. In current series production, the drive pin of the finished unbalanced shaft is concentric with its centering holes. Since the operational axis of rotation of the balance shaft is concentric to the drive journal and the bearing ring and - in order to avoid component tolerance-related deformations of the bearing ring - the inner radius R L of the bearing ring resting on the bearing journal is larger than the enveloping circle radius rz of the bearing journal, the radius difference R L - rz must be determined by an eccentric Machining of the bearing journal to the centering holes can be compensated. Of course, this eccentricity cannot be created by a simple turning process between centers in the centering holes. Rather, the machining requires a complex milling process or a complex eccentric turning process with correspondingly high investment and/or manufacturing costs. The present invention eliminates this disadvantage through the aforementioned eccentricity of the drive pin to the centering holes, so that the machining of the bearing seat is made possible by the comparatively simple and inexpensive rotation process of the unbalanced shaft between points in the centering holes. The eccentricity of the drive pin to the centering holes can also be achieved comparatively easily by turning or milling the drive pin using a bell tool.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus der Zeichnung mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ausgleichswelle für den Massenausgleich zweiter Ordnung einer Reihenvierzylinder-Brennkraftmaschine. Die dort dargestellten Exzentrizitäten sind zwecks Veranschaulichung der Erfindung stark übertrieben dimensioniert. Es zeigen:

  • 1 die Ausgleichswelle in perspektivischer Darstellung;
  • 2 die Ausgleichswelle im Längsschnitt.
Further features of the invention emerge from the following description and from the drawing with an exemplary embodiment of a balancing shaft according to the invention for second-order mass balancing of a four-cylinder in-line internal combustion engine. The eccentricities shown there are greatly exaggerated for the purpose of illustrating the invention. Show it:
  • 1 the balance shaft in perspective view;
  • 2 the balance shaft in longitudinal section.

Die Ausgleichswelle umfasst eine aus einem Guss- oder Schmiederohling fertig bearbeitete Unwuchtwelle 1 mit einem endseitigen Antriebszapfen 2, zwei Lagerzapfen 3 und 4 sowie Unwuchtabschnitten 5, 6 und 7. Der Antriebszapfen 2 nimmt ein die Ausgleichswelle axial in der Brennkraftmaschine lagerndes Rillenkugellager (nicht dargestellt) und ein die Ausgleichswelle antreibendes Zahnrad (ebenfalls nicht dargestellt) auf. Die Lagerzapfen 3, 4 haben einen lediglich teilzylindrischen Umfang, wobei jeweils der zylindrische Teilumfang 8 in Richtung der Wellenunwucht u (s. Pfeil in 2) orientiert ist, die durch die zur betrieblichen Drehachse 9 der Ausgleichswelle exzentrischen Massenschwerpunkte sowohl der Unwuchtabschnitte 5, 6, 7 als auch der Lagerzapfen 3, 4 erzeugt wird.The balancer shaft comprises an unbalanced shaft 1 finished from a cast or forged blank with an end drive pin 2, two bearing pins 3 and 4 and unbalanced sections 5, 6 and 7. The drive pin 2 takes a deep groove ball bearing (not shown) which supports the balancer shaft axially in the internal combustion engine. and a gear (also not shown) driving the balance shaft. The bearing journals 3, 4 only have a partially cylindrical circumference, with the cylindrical partial circumference 8 in the direction of the shaft unbalance u (see arrow in 2 ) is oriented, which is generated by the centers of gravity of both the unbalance sections 5, 6, 7 and the bearing journals 3, 4, which are eccentric to the operational axis of rotation 9 of the balancing shaft.

Die Radiallagerung der Unwuchtwelle 1 in der Brennkraftmaschine erfolgt mittels Nadellager 10, deren Innenlaufbahnen 11 jeweils durch einen den Lagerzapfen 3, 4 umschließenden Lagerring 12 gebildet sind. Jeder Lagerring 12 begrenzt zusammen mit einem dem zylindrischen Teilumfang 8 radial gegenüberliegenden Lagerzapfenrücken 13 einen Freiraum, in dem eine Blechfeder 14 gegen den Lagerzapfenrücken 13 einerseits und den Lagerring 12 andererseits gespannt ist und den Lagerring 12 radial gegen den zylindrischen Teilumfang 8 spannt. Auch die axiale Befestigung der Lagerringe 12 auf der Unwuchtwelle 1 erfolgt mittels der Blechfedern 14, die jeweils axial formschlüssig mit dem Lagerzapfenrücken 13 einerseits und dem Lagerring 12 andererseits verbunden sind.The unbalanced shaft 1 is radially supported in the internal combustion engine by means of needle bearings 10, the inner raceways 11 of which are each formed by a bearing ring 12 surrounding the bearing journal 3, 4. Each bearing ring 12, together with a bearing pin back 13 radially opposite the cylindrical partial circumference 8, delimits a free space in which a sheet metal spring 14 is tensioned against the bearing pin back 13 on the one hand and the bearing ring 12 on the other hand and tensions the bearing ring 12 radially against the cylindrical partial circumference 8. The axial fastening of the bearing rings 12 also occurs the unbalance shaft 1 takes place by means of the sheet metal springs 14, which are each axially positively connected to the bearing pin back 13 on the one hand and the bearing ring 12 on the other.

Die Lagerringe 12 liegen jeweils mit einem Innenradius RL am zylindrischen Teilumfang 8 der Lagerzapfen 3, 4 an. Eine Verformung der exakt zylindrischen Innenlaufbahn 11 jedes Lagerrings 12 wird im Hinblick auf unvermeidliche Bauteiltoleranzen dadurch verhindert, dass der Innenradius RL des Lagerrings 12 größer als der Hüllkreisradius rZ des jeweiligen Lagerzapfens 3, 4 ist.The bearing rings 12 each rest with an inner radius R L on the cylindrical partial circumference 8 of the bearing journals 3, 4. A deformation of the exactly cylindrical inner race 11 of each bearing ring 12 is prevented in view of unavoidable component tolerances in that the inner radius R L of the bearing ring 12 is larger than the enveloping circle radius r Z of the respective bearing journal 3, 4.

2 verdeutlicht die geometrischen Verhältnisse am bemaßten Lagerzapfen 4, an dem auch der auf dem zylindrischen Teilumfang 8 liegende Hüllkreis C um 90° verdreht eingezeichnet ist. Der Hüllkreis C ist mit einer Bearbeitungsachse 15 konzentrisch, die ihrerseits mit Zentrierbohrungen 16 und 17 konzentrisch ist, die in den Stirnseiten der Unwuchtwelle 1 eingearbeitet sind. Die spanende Bearbeitung jedes zylindrischen Teilumfangs 8 erfolgt durch einen einfachen Drehprozess, nämlich unter Aufnahme der Unwuchtwelle 1 auf Spitzen in den Zentrierbohrungen 16, 17, so dass der Ursprung des Hüllkreisradius rz auf der Bearbeitungsachse 15 liegt. 2 clarifies the geometric relationships on the dimensioned bearing journal 4, on which the enveloping circle C lying on the cylindrical partial circumference 8 is shown rotated by 90 °. The enveloping circle C is concentric with a machining axis 15, which in turn is concentric with centering holes 16 and 17, which are machined into the end faces of the unbalance shaft 1. The machining of each cylindrical partial circumference 8 is carried out by a simple turning process, namely by holding the unbalanced shaft 1 on tips in the centering bores 16, 17, so that the origin of the enveloping circle radius rz lies on the machining axis 15.

Die betriebliche Drehachse 9 der Ausgleichswelle ist mit den Lagerringen 12 und dem Antriebszapfen 2 konzentrisch und zur Bearbeitungsachse 15 um die Radiendifferenz RL - rz exzentrisch. Die spanende Fertigbearbeitung des Antriebszapfens 2 erfolgt mittels eines Glockenwerkzeugs, das entsprechend um die Radiendifferenz RL - rz exzentrisch zu den Zentrierbohrungen 16, 17 verfährt.The operational axis of rotation 9 of the balance shaft is concentric with the bearing rings 12 and the drive pin 2 and eccentric to the machining axis 15 by the radius difference R L - rz. The final machining of the drive pin 2 is carried out using a bell tool, which moves eccentrically to the centering bores 16, 17 by the radius difference R L - rz.

Die in den Figuren dargestellten Exzentrizitäten sind zwecks Veranschaulichung der Erfindung im Millimeterbereich und folglich stark übertrieben dimensioniert. In der Realität beträgt die Radiendifferenz RL - rZ beispielsweise nur 35 Mikrometer.For the purpose of illustrating the invention, the eccentricities shown in the figures are in the millimeter range and are therefore greatly exaggerated. In reality, the radius difference R L - r Z is, for example, only 35 micrometers.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102019101320 A1 [0003]DE 102019101320 A1 [0003]

Claims (3)

Ausgleichswelle, umfassend: - eine Unwuchtwelle (1) mit einem endseitigen Antriebszapfen (2), stirnseitigen Zentrierbohrungen (16, 17) und einem Lagerzapfen (3, 4), dessen Umfang lediglich teilzylindrisch ist, - und einen den Lagerzapfen (3, 4) umschließenden Lagerring (12), der mit einem Innenradius RL am zylindrischen Teilumfang (8) des Lagerzapfens (3, 4) anliegt, wobei der Innenradius RL des Lagerrings (12) größer als der Hüllkreisradius rz des Lagerzapfens (3, 4) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hüllkreis (C) des Lagerzapfens (3, 4) mit den Zentrierbohrungen (16, 17) konzentrisch ist, wobei der Antriebszapfen (2) zu den Zentrierbohrungen (16, 17) um die Radiendifferenz RL - rZ exzentrisch und mit dem Lagerring (12) konzentrisch ist.Balancing shaft, comprising: - an unbalance shaft (1) with an end drive pin (2), front centering bores (16, 17) and a bearing pin (3, 4), the circumference of which is only partially cylindrical, - and a bearing pin (3, 4) enclosing bearing ring (12), which rests with an inner radius R L on the cylindrical partial circumference (8) of the bearing journal (3, 4), the inner radius R L of the bearing ring (12) being larger than the enveloping circle radius rz of the bearing journal (3, 4). , characterized in that the enveloping circle (C) of the bearing pin (3, 4) is concentric with the centering bores (16, 17), the drive pin (2) being in relation to the centering bores (16, 17) by the radius difference R L - r Z eccentric and concentric with the bearing ring (12). Ausgleichswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring (12) zusammen mit einem dem zylindrischen Teilumfang (8) radial gegenüberliegenden Lagerzapfenrücken (13) einen Freiraum begrenzt, wobei die Ausgleichswelle eine Blechfeder (14) umfasst, die im Freiraum gegen den Lagerzapfenrücken (13) einerseits und den Lagerring (12) andererseits gespannt ist und den Lagerring (12) radial gegen den zylindrischen Teilumfang (8) spannt.Balance shaft Claim 1 , characterized in that the bearing ring (12) together with a bearing pin back (13) radially opposite the cylindrical partial circumference (8) delimits a free space, the balancing shaft comprising a sheet metal spring (14) which in the free space against the bearing pin back (13) on the one hand and the bearing ring (12) on the other hand is tensioned and the bearing ring (12) is tensioned radially against the cylindrical partial circumference (8). Verfahren zur Herstellung einer Ausgleichswelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebszapfen (2) mittels eines Glockenwerkzeugs spanend bearbeitet wird.Method for producing a balance shaft according to one of the preceding claims, characterized in that the drive pin (2) is machined using a bell tool.
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