DE19830051C1 - Ausgleichswelle - Google Patents

Abstract

Es wird eine Ausgleichswelle beschrieben, die Ausgleichsgewichte mit exzentrischer Massenverteilung zum Kompensieren von Massenkräften bzw. Massenmomenten in Brennkraftmaschinen des Hubkolbentyps enthält. Um das Gewicht der Welle und den dadurch zu erreichenden Moment- bzw. Kraftausgleich bei nicht störendem Eigenfrequenzverhalten zu optimieren, wird auch innerhalb jedes Ausgleichsgewichts eine in bezug auf dessen geometrische Mitte exzentrische Massenverteilung vorgesehen, wobei der Schwerpunkt jedes Ausgleichsgewichts zwischen dessen geometrischer Mitte und dem angrenzenden Wellenlängsende liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ausgleichswelle zum Kompensieren von Massenkräften und/oder Massenmomenten in Brennkraftmaschinen des Hubkolbentyps, in wel­ cher mit Hilfe von zwei an Lagerteile an den geometrischen Wellenlängsenden an­ grenzend und in Richtung der Wellenachse diagonal in Bezug auf das geometri­ sche Wellenzentrum gegenüberliegend angeordneten Ausgleichsgewichten eine exzentrische Massenverteilung vorgesehen ist.

Eine solche Ausgleichswelle wird beschrieben in DE 44 12 476 A1. Für die Lage­ rung im Maschinengehäuse weisen die Ausgleichswellen Lagerzapfen an den bei­ den Wellenlängsenden auf. An dem einen Lagerzapfen wird in der Regel ein An­ triebsrad angebracht. Je nach Aufgabenstellung (Ausgleich von Massenmomenten oder Massenkräften) werden die Ausgleichswellen mit gleicher oder doppelter Drehzahl der Kurbelwelle der jeweiligen Maschine angetrieben. Die Ausgleichs­ wellen werden oft im Motorengehäuse der Maschine untergebracht. Wenn eine Position unterhalb eines dort vorhandenen Ölbadspiegels erforderlich ist, wird die Ausgleichswelle zur Verringerung von Planschverlusten mit einer zylindrischen Hülle umschlossen.

Im Bekannten wird angestrebt, die Ausgleichswelle möglichst steif zu gestalten, um Störungen durch die wellen-eigenen Biegeschwingungen zu vermeiden. Aus die­ sem Grunde werden separat bearbeitete Achszapfen in achsgleich fluchtende Boh­ rungen am jeweiligen Wellenlängsende fest eingefügt. Ferner wird vorgesehen, die Ausgleichsgewichte einstückig als Teil der Ausgleichswelle auszubilden. Die Aus­ gleichsgewichte können gegebenenfalls auch fest mit der Innenwand der vorge­ nannten Hülle verbunden werden.

Ausgleichswellen sind wirksam aufgrund ihres Gewichts. Dieses Gewicht und die zum Betrieb der Welle erforderliche Antriebsleistung haben einen zusätzlichen Energieverbrauch zur Folge. Der Erfindung liegt demgemäß das erste Ziel zugrun­ de, ein Optimum zwischen eingesetztem Gewicht und dadurch erreichtem Aus­ gleich von Massenmomenten bzw. -kräften zu erzielen.

Nach einer der Erfindung zugrundeliegenden Erkenntnis, können durch die Geo­ metrie der jeweiligen Ausgleichswelle bzw. der darin exzentrisch angeordneten Ausgleichsgewichte auch unerwünschte zusätzliche Schwingungskräfte in der je­ weiligen Maschine erzeugt werden. Diese Schwingungskräfte hängen ab von dem Eigenfrequenzverhalten der Ausgleichswelle und deren Teilen. Ein weiteres der Erfindung zugrundeliegendes Ziel besteht darin, die Eigenschwingungen so zu dämpfen, daß die erstrebte Laufruhe hierdurch nicht nachteilig gestört wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu überwin­ den und die Ziele zu erreichen. Die erfindungsgemäße Lösung wird im Kennzei­ chen des Patentanspruchs 1 beschrieben. Einige Verbesserungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.

Der Kern der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß auch innerhalb jedes Aus­ gleichsgewichts eine in Bezug auf dessen geometrische Mitte exzentrische Mas­ senverteilung vorgesehen wird, wobei der Massenschwerpunkt jedes Ausgleichs­ gewichts zwischen dessen geometrischer Mitte und dem angrenzenden Wellen­ längsende liegen soll. Nach der Erfindung wird also davon abgegangen, die Aus­ gleichsgewichte mit auf der Wellenlänge in sich in Richtung der Wellenachse über­ all gleicher Massenverteilung auszubilden. Vorzugsweise wird die Geometrie der Ausgleichsgewichte so bestimmt, daß sich die Schwerpunkte der auch als Un­ wuchten zu bezeichnenden Ausgleichsgewichte nach außen (zu den Lagern) hin verteilen; in diesem Sinne wird als Schwerpunkt des einzelnen Ausgleichsgewichts der Angriffspunkt der jeweiligen Kraft verstanden.

Allein dadurch, daß man innerhalb jedes Ausgleichsgewichts eine in Bezug auf das einzelne Ausgleichsgewicht exzentrische Massenverteilung mit über die geometri­ sche Mitte des jeweiligen Ausgleichsgewichts in Richtung auf das Wellenlängsende verschobenem Schwerpunkt wählt, läßt sich erfindungsgemäß ein Optimum von eingesetztem Gewicht und dadurch erreichbarem Ausgleich der von der Kolben­ bewegung herrührenden Unwucht bei auf ein nicht störendes Maß gedämpften Ei­ genschwingungen der Ausgleichsgewichte erzielen. Mit anderen Worten: Das durch die Erfindung erstrebte Ziel wird durch eine mit von den Längsenden zur Mitte abnehmender Dichte entsprechend ungleiche Massenverteilung durch stoffli­ che Inhomogenität der Ausgleichsgewichte und/oder durch eine entsprechend un­ gleiche Geometrie erreicht.

Eine im Rahmen der Erfindung bevorzugte Geometrie der Ausgleichsgewichte läßt sich beschreiben, in dem man sagt, der Querschnitt des einzelnen Ausgleichsge­ wichts nehme in Richtung von dem geometrischen Wellenzentrum zum an das Ausgleichsgewicht angrenzenden Wellenlängsende zu. Vorzugsweise wird im Rahmen der Erfindung eine stetige Zunahme des Querschnitts vorgesehen. Die entsprechende Steigung, mit der sich der Querschnitt des einzelnen Ausgleichs­ gewichts in Wellenlängsrichtung verändern soll, hängt von den diversen für den jeweiligen Motor typischen Kräften und Frequenzen ab. Die Steigung läßt sich bei­ spielsweise durch iterative Methoden ermitteln. In Ausführungsbeispielen ergaben sich bei stetiger Neigung Steigungen (Kernwinkel) in der Größenordnung von 2-20°, bevorzugt 4-10°.

Allein durch die beanspruchte Geometrie der als Unwuchten wirkenden Aus­ gleichsgewichte selbst kann erfindungsgemäß die erstrebte Konformität zwischen geringem Gewicht und zu erreichendem Gegenmoment bei nicht störendem Ei­ genfrequenzverhalten erhalten werden. Gegebenenfalls kann das einzelne Aus­ gleichsgewicht in sich stofflich homogen sein.

Die durch die Erfindung erstrebte Verminderung desjenigen Gewichts, das zum Ausgleich der Schwerungskräfte der jeweiligen Maschine ausreicht, wird dadurch - bei dem geometrischen Ausgleich - deutlich, daß es in der Regel genügt, wenn der größte Querschnitt des Ausgleichsgewichts etwa gleich dem halben Querschnitt der Ausgleichswelle ist.

Erfindungsgemäß können die Ausgleichsgewichte einstückig an die Innenfläche einer außen zylindrischen Hülle angeformt werden. Eine solche Hülle dient be­ kanntlich dazu, Planschverluste in der Ölwanne eines Motors zu verringern. Im Rahmen der Erfindung kann die Hülle als Rohr mit massiver Wand die Steifigkeit bzw. Gestaltsfestigkeit der ganzen Ausgleichswelle bestimmen. Dadurch wird eine entsprechend große Freiheit erhalten, die Ausgleichsgewichte selbst im Sinne der Lösung der eingangs erwähnten Aufgabe auszubilden.

Wenn eine solche außen zylindrische Hülle die Ausgleichsgewichte umschließt, sollen letztere an der Innenfläche der Hülle einstückig anliegen. Innerhalb der Hülle verbleiben daher neben den Ausgleichsgewichten Hohlräume. Gemäß weiterer Erfindung wird zwischen den beiden neben den bevorzugt diagonal gegenüberlie­ genden Ausgleichsgewichten entstehenden Hohlräumen im Bereich der kleinsten Querschnitte der Ausgleichsgewichte - also im Bereich der größten Querschnitte der Hohlräume - eine offene Durchgangsverbindung (ein Loch bzw. eine Bohrung) zwischen den beiden Hohlräumen vorgesehen. Vorzugsweise soll der Lochquer­ schnitt zwischen den beiden Hohlräumen klein gegen den Querschnitt der angren­ zenden Hohlräume sein. Dadurch wird das Innere der Ausgleichswelle kastenför­ mig, wie ein Bambusrohr, unterteilt und erhält eine trotz geringer Wandstärke hohe Steifigkeit mit dem Ergebnis, daß die Amplituden der Eigenfrequenzen der Welle weiter - auf ein kaum noch merkliches Maß - herabgesetzt werden.

Im Rahmen der Erfindung wird es bevorzugt, die Ausgleichswelle einstückig aus Gußeisen, vorzugsweise GGG-70, herzustellen. Das hat nicht nur Vorteile betref­ fend den Herstellungsaufwand sondern materialbegründet auch betreffend die Dämpfung von Eigenschwingungen (Verminderung eventueller Lärmbelastung) der Ausgleichswelle bzw. von deren Ausgleichsgewichten.

Anhand der schematischen Zeichnung von Ausführungsbeispielen werden Einzel­ heiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt (längs der Wellenachse) durch eine erfindungsgemäße Ausgleichswelle; und

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung wesentlicher Teile der Welle nach Fig. 1.

Die insgesamt mit 1 bezeichnete Ausgleichswelle nach Fig. 1 und 2 besitzt Achs­ zapfen 2 und 3, die in achsgleich fluchtenden Bohrungen 4 am jeweiligen Welle­ nende fest eingefügt sind. Die Ausgleichswelle 1 weist diagonal gegenüberliegende Ausgleichsgewichte 5 und 6 innerhalb einer außen zylindrischen Hülle 7 (Rohr) und einstückig mit dieser auf. Der in der Zeichnung linke Achszapfen 2 trägt neben der Lagerstelle ein Antriebselement 8, z. B. Zahnrad. Die Achszapfen 2 und 3 sowie die Außenfläche der Hülle 7 sind rotationssymmetrisch in Bezug auf Wellenachse 9.

Erfindungsgemäß ist innerhalb jedes als Unwucht wirkenden Ausgleichsgewicht 5, 6 eine in Bezug auf dessen in Richtung der Wellenachse 9 gemessene geometri­ sche Länge L exzentrische Massenverteilung vorgesehen, wobei der Schwerpunkt S jedes Ausgleichsgewichts 5, 6 - wie in Fig. 1 dargestellt - zwischen der geome­ trischen Mitte M von dessen Länge L und dem angrenzenden Lagerteil 10, 11 liegt. Die beiden Ausgleichsgewichte 5, 6 reichen definitionsgemäß bis an die Lagerteile 10, 11 heran. Ihre Länge L wird zwischen dem geometrischen Wellenzentrum Z und der jeweiligen Grenze zum Lagerteil 10 oder 11 gemessen. Im Ausführungs­ beispiel nimmt der Querschnitt des einzelnen Ausgleichsgewichts 5, 6 in Richtung von dem geometrischen Wellenzentrum Z zum jeweiligen Wellenlängsende am Lagerteil 10, 11, vorzugsweise stetig, zu. Dabei steigt der Querschnitt des einzel­ nen Ausgleichsgewichts 5, 6 von einem Minimum im Bereich des geometrischen Wellenzentrums Z bis auf maximal etwa den halben Wellenquerschnitt - in der Nä­ he der Wellenlängsenden bzw. angrenzend an den Übergang zu den Lagerteilen 10, 11 - an.

Wie gesagt, werden die Ausgleichsgewichte 5, 6 bevorzugt einstückig an die In­ nenfläche 12 der außen zylindrischen Hülle 7 angeformt. Zum Definieren von Schwingungsknoten und damit zum Beeinflussen bzw. Verbessern des Eigenfre­ quenzverhaltens der Ausgleichswelle 1 kann es in diesem Zusammenhang günstig sein, wenn zwischen den beiden neben den Ausgleichsgewichten 5, 6 innerhalb der rohrförmigen Hülle 7 verbleibenden Hohlräumen 13, 14 im Bereich der klein­ sten Querschnitte der Ausgleichsgewichte 5, 6 - also im Bereich des geometri­ schen Wellenzentrums Z - eine offene Durchgangsverbindung bzw. ein Loch 15 vorgesehen wird. Der Lochdurchmesser soll dabei - speziell zum Verbessern des Eigenfrequenzverhaltens - wesentlich kleiner als die Summe der in diesem Bereich maximalen Querschnitte der Hohlräume 13, 14 sein. Für die Verbesserung des Ei­ genfrequenzverhaltens kann es auch günstig sein, die Kanten 16 und 17 der Aus­ gleichsgewichte 5, 6 angrenzend an das geometrische Wellenzentrum Z bzw. an­ grenzend an die zur Aufnahme der Achszapfen 2, 3 vorgesehenen Bohrung 4 in der in Fig. 1 im Prinzip dargestellten Weise abzurunden.

Eine Ausgleichswelle 1 in der dargestellten Form wurde in einem Versuch aus Gußeisen GGG-70 hergestellt. Die Länge der Ausgleichswelle 1 - gemessen über die die Bohrung 4 aufnehmenden Lagerteile 10, 11 - betrug 240 mm. Der Durch­ messer der Hülle 7 betrug 63 mm. Die Wandstärke der Hülle 7 betrug 9 mm. Die lichte Weite der Bohrung 4 betrug 17 mm. Die in Richtung der Wellenachse 9 ge­ messene Stärke der die Bohrung 4 aufnehmenden Längsenden 10, 11 betrug 23 mm. Der Kernwinkel K, der die Neigung der Ausgleichsgewichte 5, 6 zwischen Wellenachse 9 und Innenfläche 18 der Ausgleichsgewichte 5, 6 beschreibt, betrug 6°. Der Durchmesser des im Ausführungsbeispiel im wesentlichen kreisförmigen Lochs 15 im Bereich des geometrischen Wellenzentrums Z betrug 20 mm.

Bezugszeichenliste

1

= Ausgleichswelle

2

,

3

= Achszapfen

4

= Bohrung

5

,

6

= Ausgleichsgewicht

7

= Hülle

8

= Antriebselement

9

= Wellenachse

10

,

11

= Lagerteile

12

= Innenfläche (

7

)

13

,

14

= Hohlraum

15

= Loch

16

,

17

= Kante

18

= Innenfläche
L= Länge (

5

,

6

)
M= geometrische Mitte (

5

,

6

)
S= Schwerpunkt (

5

,

6

)
Z= geometrisches Wellenzentrum
K= Kernwinkel

Claims (10)

1. Ausgleichsweile (1) zum Kompensieren von Massenkräften und/oder Massen­ momenten in Brennkraftmaschinen des Hubkolbentyps, in welcher mit Hilfe von zwei an Lagerteile (10, 11) an den geometrischen Wellenlängsenden angrenzend und in Richtung der Wellenachse (9) diagonal in Bezug auf das geometrische Wellenzentrum Z gegenüberliegend angeordneten Ausgleichsgewichten (5, 6) eine exzentrische Massenverteilung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß auch innerhalb jedes Ausgleichgewichts (5, 6) eine in Bezug auf dessen in Richtung der Wellenachse (9) gemessene geometrische Länge (L) exzentrische Massenverteilung vorgesehen ist, wobei der Schwerpunkt (S) jedes Ausgleichsge­ wichts (5, 6) zwischen der Mitte (M) von dessen geometrischer Länge (L) und dem Übergang zum angrenzenden Lagerteil (10, 11) liegt.

2. Ausgleichswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des einzelnen, vorzugsweise in sich stofflich homogenen, Ausgleichsgewichts (5, 6) in Richtung von dem geometrischen Wellenzentrum (Z) zum jeweiligen Lagerteil (10, 11) zunimmt.

3. Ausgleichsgewicht nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt stetig zunimmt.

4. Ausgleichswelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt bis maximal auf den halben Wellenquerschnitt ansteigt.

5. Ausgleichswelle nach mindestens einen der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsgewichte (5, 6) einstückig an die Innenfläche (12) einer außen zylindrischen Hülle (7) angeformt sind.

6. Ausgleichswelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden neben den Ausgleichsgewichten (5, 6) innerhalb der Hülle (7) verbleibenden Hohlräumen (13, 14) im Bereich der kleinsten Querschnitte der Ausgleichsgewichte (5, 6) eine offene Durchgangsverbindung bzw. ein Loch (15) vorgesehen ist.

7. Ausgleichswelle nach mindestens einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgangsquerschnitt des Lochs (15) klein gegen den Gesamtquerschnitt der an das geometrische Wellenzentrum (Z) angrenzenden Hohlräume (13, 14) ist.

8. Ausgleichswelle nach mindestens einen der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten (16, 17) der Ausgleichsgewichte (5, 6) angrenzend an die geome­ trische Mitte (Z) bzw. das Loch (15) und an die Lagerteile (10, 11) abgerundet sind.

9. Ausgleichsgewicht nach mindestens einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsgewichte (5, 6) und die Hülle (7) aus einem einzigen Stück Gußeisen, insbesondere aus GGG-70, bestehen.

10. Ausgleichsgewicht nach mindestens einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die exzentrische Massenverteilung jedes Ausgleichsgewichts teilweise oder ganz stoffliche Inhomogenität bzw. inhomogene Dichte erreicht ist.