DaimlerChrysler AG
Ausgleichswelle für eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zur Herstellung derselben
Die Erfindung betrifft eine Ausgleichswelle für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung derselben gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 8.
Eine gattungsgemäße Ausgleichswelle bzw. ein gattungsgemäßes Verfahren zu deren Herstellung ist aus der DE 198 32 987 AI bekannt . Die dort beschriebene Ausgleichswelle ist rohrförmig ausgebildet und weist in ihrem Inneren ein Ausgleichsgewicht auf, das sich nahezu über deren gesamten Länge hinweg erstreckt. Der Rohrteil ist dabei am Umfang mit zwei Ausnehmungen versehen, die jeweils ein zentral liegendes Loch aufweisen. Jedes Loch wird von einem Stift durchsetzt, der gleichermaßen das Ausgleichsgewicht durchragt. Der Stift dient dabei zur Befestigung des Ausgleichsgewichts am Rohrteil . Das Rohrteil ist beiderends durch einen Deckel mittels Einpressen oder Löten verschlossen. Bei der beschriebenen Ausgleichswelle ist die Befestigung sehr beschwerlich, da der Stift entweder von dem Inneren der Ausgleichswelle aus gekontert werden muss oder, falls der Stift bereits in dem Ausgleichsgewicht angeordnet ist, das Ausgleichsgewicht umständlich hin und hergeschoben werden muss, bis der Stift durch das Loch in der Rohrteilwandung eingefädelt ist und dann von außen gekontert
werden kann. Des Weiteren sind die praktischen Anforderungen an eine Ausgleichswelle selten so, wie sie aus der bekannten Druckschrift entnehmbar sind. Meist ist nämlich die lokale Anordnung des Ausgleichsgewichts gewünscht. Um seine Funktion erfüllen zu können, muss dabei das Ausgleichsgewicht eine bestimmte Größe besitzen. Je größer dieses jedoch zu sein hat, desto mehr Volumen wird das Ausgleichsgewicht beanspruchen. Um dies bei der bekannten Ausgleichswelle zu erreichen, muss der Durchmesser des Rohrteils mit der Steigerung der lokalen Platzbeanspruchung des Ausgleichsgewichts in entsprechender Weise steigen. Resultat daraus ist, dass eine derartige Ausgleichswelle einen so enormen Bauraum beansprucht, wie er bei den modernen Motoren heutzutage in aller Regel nicht zur Verfügung steht .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Ausgleichswelle dahingehend weiterzubilden, dass eine bauraumsparende Gestaltung der Welle ermöglicht wird, die bedarfsgerecht an der gewünschten Stelle der Ausgleichswelle ein ausreichendes Ausgleichsgewicht aufweist. Dem Genüge tragend, ist es weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Ausgleichswelle in möglichst einfacher Weise herstellbar ist.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 hinsichtlich der Ausgleichswelle und durch die Merkmale des Anspruchs 8 hinsichtlich des Verfahrens gelöst.
Aufgrund dessen, dass erfindungsgemäß das Ausgleichsgewicht am Außenumfang des Hohlkörpers angeordnet und befestigt ist, kann der das Basisteil der Ausgleichswelle bildende Hohlkörper bzgl . seines Durchmessers relativ klein und die Wandstärke sehr gering (etwa 2mm) gestaltet werden, was eine erhebliche Gewichtsverringerung der gesamten Welle ergibt. Des Wei-
teren wird durch die lokale Platzierung des Ausgleichsgewichts am Außenumfang die Länge des Hohlkörpers nicht vergrößert, so dass insgesamt der für den Hohlkörper benötigte Bauraum besonders gering ist und nur anstelle der Platzierung des Ausgleichsgewichts genügend Bauraum im Motor vorgesehen sein muss . Zudem ist das Ausgleichsgewicht ohne weiteres zugänglich und in einfacher Weise an der richtigen Stelle des Hohlkörpers platzierbar, wobei die axiale Position auch für die Funktionselemente frei wählbar ist, und kann mit allen geeigneten Mitteln am Hohlkörper ohne großen Aufwand befestigt werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 2 ist das Ausgleichsgewicht an einer Nabe angeformt, die den Hohlkörper lokal umschließt und an diesem befestigt ist. Durch die Nabe wird nur ein geringer Bauraum beansprucht, währenddessen sie für das Ausgleichsgewicht durch die Umschließung des Hohlkörpers eine größere Anbindungsflache für eine Befestigung an dem Hohlkörper anbietet, so dass insgesamt ein verbesserter Halt des Ausgleichsgewichts auf dem Hohlkörper erreicht wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Ausgleichswelle nach Anspruch 3 bzw. des entsprechenden erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 10 ist das Ausgleichsgewicht in einer Presspassung mit dem Hohlkörper verbunden. Durch die Presspassung wird eine sichere Befestigung des Ausgleichsgewichts mit relativ einfachen Mitteln, ohne zusätzliche Befestigungselemente erzielt. Für das Erreichen einer solchen Presspassung ist beispielsweise thermisches Aufschrumpfen oder Magnetumformen sowie das Aufpressen des Ausgleichsgewichts mit einem gegenüber dem Außendurchmesser des Hohlkörpers Untermaß aufweisenden Innendurchmesser der Nabe denkbar.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Funktionselemente gemäß dem Anspruch 4 hinsichtlich der Ausgleichswelle und dem Anspruch 11 hinsichtlich des entsprechenden Verfahrens als einzelne Bauteile auf dem Hohlkörper angeordnet und mit diesem in einer Presspassung verbunden. Hierbei können die gleichen Vorteile wie bei der Ausführungsform gemäß Anspruch 3 und 10 angeführt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ausgleichswelle gemäß Anspruch 5 werden das Ausgleichsgewicht und/oder die Funktionselemente zusätzlich formschlüssig mit dem Hohlkörper verbunden. Dies führt zu einem weiter verbesserten Halt des Ausgleichsgewichts und der Funktionselemente auf dem Hohlkörper gegenüber mechanischen Belastungen in axialer oder radialer Richtung.
In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ausgleichswelle nach Anspruch 6 ist der Hohlkörper an der Stelle seiner Verbindung mit dem Ausgleichsgewicht plastisch aufgeweitet, wobei das Ausgleichsgewicht an dieser Stelle elastisch rückfedernd aufgeweitet ist. Hierdurch ergibt sich eine besonders starke Pressverbindung zwischen Hohlkörper und Ausgleichsgewicht für einen unverrückbaren Halt des Ausgleichsgewichts bei axialen und auch bei sehr hohen radialen mechanischen Beanspruchungen, insbesondere bei hoher Drehzahl der Ausgleichswelle und hohen Schwungmassen des Ausgleichsgewichts während des Betriebes der Ausgleichswelle.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ausgleichswelle zeigt Anspruch 7. Hierbei ist der Hohlkörper einenends mit einem Anbindungsbauteil für Antriebsbauteile, wie Kettenräder oder Zentrifugen, einstückig verbunden, wobei
das Anbindungsbauteil den Hohlkörper verschließt. Infolge der Einstückigkeit der Verbindung ergibt sich an der Verbindungsstelle eine hohe Festigkeit für das Gesamtbauteil der Ausgleichswelle. Gleichzeitig wird durch diese Verbindung die Ausgleichswelle einenends verschlossen, wonach diese nur nach an dem gegenüberliegenden Ende verschlossen zu werden braucht. Dies erfolgt beispielsweise mit einem Deckel, wodurch insgesamt verhindert wird, dass in das Innere des Hohlkörpers Feuchtigkeit eintritt, die zu einer Korrosion der Ausgleichswelle führen kann. Die Einstückigkeit der Verbindung und die Massivität des Anbindungsbauteils weist die Ausgleichswelle eine hohe Stabilität gegenüber dem Eingriff der Antriebsbauteile auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 9 wird das Ausgleichsgewicht mittels einer Nabe, an der es angeformt ist, auf den Hohlkörper geschoben und anschließend an diesem befestigt . Durch das Aufschieben wird eine einfache Positionierung des Ausgleichsgewichts auf dem Hohlkörper erreicht, wobei zur anschließenden Fixierung auf dem Hohlkörper nur ein geringer apparativer Aufwand für die Halterung bzw. Einspannung erforderlich ist, da der Hohlkörper das Ausgleichsgewicht nach dem Aufschieben bereits trägt.
Eine weitere, besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens repräsentiert Anspruch 12. Durch die Verwendung eines fluidischen Innenhochdrucks zur Erzielung der Presspassung wird die Positionierung des Ausgleichsgewichts und/oder der Funktionselemente weiter erleichtert, da ein Aufschieben des Ausgleichsgewichts und/oder der Funktionselemente mit Übermaß des Nabeninnendurchmessers bzw. des Bohrungsdurchmessers besonders leichtgängig ist. Zudem ist mittels der Fluiddrucksteuerung des Innenhochdrucks der ge-
wünschte Pressverbund exakt einstellbar, weil bei dessen Herstellung in vorteilhafter Weise durch eine geeignete Drucksteuerung die Wandstärken und die Materialeigenschaften der Fügepartner hinsichtlich ihrer Bruchfestigkeit berücksichtigt werden können, so dass bei der Herstellung der Ausgleichswelle die Prozesssicherheit unbedingt gewährleistet ist. Des Weiteren kann der Fügevorgang schnell und mit relativ geringem apparativen Aufwand erfolgen.
In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 13 wird die Wandung der Durchgangsöffnung der Nabe und/oder die Wandung der Bohrung, mit der das Ausgleichsgewicht und/oder die Funktionselemente auf den Hohlkörper aufgeschoben werden, nichtro- tationssymmetrisch ausgebildet, wobei mittels fluidischem Innenhochdrucks der Hohlkörper, durch zumindest teilweise Anlage an nichtrotationssymmetrischen Flächen der Wandung der Durchgangsöffnung der Nabe und/oder der Wandung der Bohrung, mit dem Ausgleichsgewicht und/oder den Funktionselementen formschlüssig verbunden wird. Durch die Ausbildung der Innenseite der Nabe bzw. der Bohrung in nichtrot tionssymmetrischer Form, beispielsweise in ovaler Gestaltung oder gebildet durch Mulden bzw. Längsrillen bei der Herstellung oder durch nachträgliche Bearbeitung, wird im Zusammenspiel mit dem Innenhochdruck, der das Hohlkörpermaterial fließen lässt und dieses an die nichtrotationssymmetrischen Flächen der Bohrungswandung oder der Wandung der Nabendurchgangsöffnung zwingt, wo es irreversibel verbleibt, in einfacher Weise eine Formschlüssigkeit erzielt. Diese Formschlüssigkeit erhöht noch weiter den durch den Reibschluss des PressVerbundes von Hohlkörper und Ausgleichsgewicht und/oder Funktionselementen ohnehin erzielten starken Halt der Fügepartner aneinander.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 14 wird zumindest eines der offenen Enden des Hohlkörpers mit einem das Ende verschließenden Anbin- dungsbauteil für Antriebsbauteile, wie Kettenräder oder Zentrifugen, reibverschweißt. Durch den Einsatz des Reibschweißens wird mit geringer Taktzeit und relativ geringem Aufwand eine äußerst haltbare Verbindung des Hohlkörpers mit dem An- bindungsbauteil geschaffen.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand mehrerer in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert; dabei zeigt :
Fig. 1 in einem Längsschnitt eine erfindungsgemäße Ausgleichswelle mit einem Anbindungsbauteil ,
Fig. 2 in einer Frontansicht ein Ausgleichgewicht für eine erfindungsgemäße Ausgleichswelle gemäß Figur 1,
Fig. 3 in einem Längsschnitt abschnittsweise eine erfindungsgemäße Ausgleichswelle mit auf ihr gelagerten Funktionselementen.
In Figur 1 ist eine Ausgleichswelle 1 für eine Brennkraftmaschine dargestellt, wobei die Welle 1 aus einem rohrformigen Hohlkörper 2 besteht, der seinerseits aus einem Rohrabschnitt eines gezogenen Rohres besteht. Der Hohlkörper 2 kann jedoch auch aus einer gerollten Platine hergestellt werden, die an ihrem Stoß längsnahtgeschweißt ist. An einem Ende 3 der Ausgleichswelle 1 ist auf dem Außenumfang 4 des Hohlkörpers 2 ein Ausgleichsgewicht 5 angeordnet und. dort befestigt. Zum anderen Ende 6 der Ausgleichswelle 1 hin, trägt der Hohlkörper 2 ein Funktionselement in Form einer Lagerhülse 7, die sich einenends an einer Stirnseite 8 des Ausgleichsgewichts 5 abstützt. Das ausgleichsgewichtsferne Ende 9 des Hohlkörpers 2 ist mit einem Anbindungsbauteil 10 einstückig verbunden.
Das Anbindungsbauteil 10, das massiv ausgebildet ist, bildet eine Fortsetzung der axialen Erstreckung des Hohlkörpers 2. Das Anbindungsbauteil 10, das ein Drehteil, ein Warmpress-, ein Sinter- oder ein Kaltfließpressteil sein kann, dient zur Anbindung für Antriebsbauteile, wie Kettenräder oder Zentrifugen.
Zur Herstellung der Ausgleichswelle 1 wird zuerst die Lagerhülse 7 und anschließend das Ausgleichsgewicht 5 an die gewünschte Position geschoben. Während dies über die Bohrung 11 der Lagerhülse 7 bewerkstelligt wird, ist das Ausgleichsgewicht 5 an eine Nabe 12 angeformt, wie auch in Figur 2 verdeutlicht ist, so dass das Ausgleichsgewicht 5 mit der Durchgangsöffnung 13 der Nabe 12 auf den Hohlkörper 2 aufgeschoben wird. Anschließend wird die Lagerhülse 7 und das Ausgleichsgewicht 5 mit dem Hohlkörper 2 unter Bildung einer Presspassung verbunden. Die Lagerhülse 7 und das Ausgleichsgewicht 5 können dabei separat voneinander oder gleichzeitig miteinander mit dem Hohlkörper 2 verbunden werden. Die Erzeugung der Presspassung kann beispielsweise durch Räumen des Hohlkörpers 2 erfolgen. Hier soll jedoch vorteilhafterweise der Fügevorgang mittels fluidischem Innenhochdruckes, der im Innern des Hohlkörpers 2 erzeugt wird, ausgeführt werden. Zu dem Innen- hochdruckfügen sind mehrere Techniken denkbar. Beispielsweise kann der Hohlkörper 2 mit der aufgeschobenen Lagerhülse 7 und dem aufgeschobenen Ausgleichsgewicht 5 in eine Innenhoch- druckumformmatrize eingelegt werden, wobei die Matrize außerhalb der zu erzeugenden Fügestellen die negative Kontur der Ausgleichswelle 1 aufweist. Am Ort der aufgeschobenen Fügeteile, d. h. der Lagerhülse 7 und des Ausgleichsgewichtes 5, ist die Matrize derart ausgebildet, dass die Fügeteile dort mit vorgegebenem Spiel gelagert sind. Schließlich wird im gesamten Hohlkörper 2 ein fluidischer Innenhochdruck erzeugt, der den Hohlkörper 2 nur an den Fügestellen plastisch aufwei-
tet, währenddessen es außerhalb der Fügestellen durch die Anlage des Hohlkörpers 2 an der Gravur der Umformmatrize zu keinem unkontrollierten Verformen des Hohlkörpers 2 kommt. Der Außenumfang 4 des Hohlkörpers 2 legt sich durch die plastische Aufweitung des Hohlkörpers 2 an der Wandung der Durch- gangsδffnung 13 der Nabe an, wie auch gleichzeitig an der Bohrungswandung der Lagerhülse 7. Der Hohlkörper 2 wird nun weiter kurzfristig aufgeweitet, wodurch über seine jeweilige Anlage die Lagerhülse 7 und das Ausgleichsgewicht 5 bzw. die Nabe 12 plastisch aufgeweitet wird. Nach Entspannen des Druckfluids innerhalb des Hohlkörpers 2 federt das Material der Lagerhülse 7 und der Nabe 12 bzw. des Ausgleichsgewichts 5 zurück, währenddessen der Hohlkörper 2 in seiner aufgeweiteten plastischen Ausbildung verbleibt. Hierbei entsteht eine extrem hohe Presspassung. Eine weitere denkbare Möglichkeit des Einsatzes der Innenhochdrucktechnik besteht darin, dass zwei verfahrbare Stempel jeweils in das linke und das rechte Ende des Hohlkörpers 2 eingefahren werden, bis sie einen festgelegten axialen Abstand zueinander einnehmen. Durch diesen Abstand wird ein Zwischenraum begrenzt, der in Fügelage unterhalb der Fügeteile zu liegen kommt. Anschließend wird über einen der Stempel oder beide Stempel Druckfluid in den Zwischenraum eingeleitet und ein Hochdruck erzeugt. Mittels dieses Hochdrucks wird der Hohlkörper 2 nur an der Stelle der Fügeteile plastisch aufgeweitet. Eine weitere, besonders vorteilhafte Variante der Innenhochdrucktechnik besteht in dem Einschieben einer Aufweitlanze in den Hohlkörper 2, wobei innerhalb der Aufweitlanze ein axialer Druckfluidkanal verläuft, von dem aus radiale kurze Kanäle, bzw. es ist auch die Abzweigung von nur einem einzelnen Kanal denkbar, abgehen und am Außenmantel der Aufweitlanze ausmünden. Die Mündungsöffnungen sind dabei axial durch Ringdichtungen seitlich begrenzt und schließen dabei einen Aufweitraum ein. Beim Einschieben der Aufweitlanze in den Hohlkörper 2 schmiegen sich
die Ringdichtungen an der Innenseite des Hohlkörpers 2 an. Nach Erreichen einer gewünschten Einschiebelänge befindet sich der jeweilige Aufweitraum unterhalb der Fügestelle des jeweiligen Fügeteils. Sodann kann die Aufweitung des Hohlkörpers 2 durch Einleiten eines Druckfluides über die erwähnten Kanäle erfolgen. Bei der Anordnung von mehreren Aufweiträumen können die Fügeteile gleichzeitig gefügt werden oder bei der Anordnung von nur einem Aufweitraum sequentiell mit dem Hohlkörper 2 gefügt werden. Die letztgenannte Variante der Innenhochdrucktechnik benötigt nur geringen apparativen Aufwand und ermöglicht eine besonders schnelle Herstellung der Ausgleichswelle 1. Alsdann wird der mit der Lagerhülse 7 und dem Ausgleichsgewicht 5 gefügte Hohlkörper 2 an seinem Ende 9 mit dem Anbindungsbauteil 10 reibverschweißt, wodurch zwischen diesem und dem Hohlkörper eine einstückige Verbindung entsteht. Das Anbindungsbauteil 10 verschließt dabei den Hohlkörper 2. Alternativ ist jedoch auch denkbar, den Hohlkörper 2 ohne die Fügeteile in einem ersten Arbeitsschritt schon mit dem Anbindungsbauteil 10 zu verbinden, wonach das Fügen mit den Fügeteilen gemäß der ersten und dritten Variante der Innenhochdrucktechnik vonstatten gehen kann.
Eine zusätzliche Erhöhung des Haltes der Fügeteile, insbesondere des Ausgleichsgewichts 5 auf dem Hohlkörper 2, und damit der Betriebssicherheit der Ausgleichswelle 1 kann durch die Ausbildung eines Formschlusses erreicht werden. Hierzu werden an der Wandung der ansonsten kreiszylindrischen Durchgangsöffnung 13 der Nabe 12 axial verlaufende Rillen 14 ausgebildet, die nichtrotationssymmetrische Flächen der Durchgangs- Öffnung 13 darstellen. Nachdem nun das Ausgleichsgewicht 5 mit der den Hohlkörper 2 lokal umschließenden Nabe 12 auf dem Hohlkörper 2 aufgeschoben und entsprechend positioniert wurde, wird - wie gehabt - ein fluidischer Innenhochdruck erzeugt, der den Hohlkörper 2 plastisch aufweitet. Dabei wird
das Hohlkörpermaterial in die Rillen 14 verdrängt, wo es zumindest teilweise eine Anlage findet und sich in den Rillen 14 verkrallt. Der gewünschte Formschluss ist somit erreicht. Ein derartig ausgebildeter Formschluss ist auch bei jedem der aufgeschobenen Funktionselemente denkbar. Durch die Erhöhung des Haltes des Ausgleichgewichts 5 und der Funktionselemente auf dem Hohlkörper 2 über den Formschluss kann auf andere arbeitsintensivere haltfördernde Bearbeitungsverfahren wie ein Raustrahlen der Wandung der Durchgangsöffnung 13 der Nabe 12 bzw. der Wandung der Bohrung 11 der Funktionselemente eingespart werden.
Abrundend sei hier noch auf Figur 3 verwiesen, in der ein rohrförmiger Hohlkörper 2 dargestellt ist, auf den ein Ausgleichsgewicht 5 mit seiner Nabe 12 eine Lagerhülse 7 und ein Kettenrad 15 mit Spiel aufgeschoben und schließlich mit Innenhochdruck gefügt sind. Gleichfalls können auch Sensorringe auf dem Hohlkörper 2 gefügt werden.