MARZY ROLAND (AT)
SCHOBER MICHAEL (AT)
MARZY ROLAND (AT)
WO2001027492A1 | 2001-04-19 | |||
WO2001029447A1 | 2001-04-26 |
AT7628U1 | 2005-06-27 | |||
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DE102006032592A1 | 2008-01-24 |
Patentansprüche 1. Ausgleichswelleneinheit für einen Massenausgleich einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem Gehäuse ( 1 1), das wenigstens zwei Lagerflächen (21) aufweist, die eine jeweilige Lageröffnung ( 19) umfänglich umgeben, und mit wenigstens einer Ausgleichswelle (13), die wenigstens ein Ausgleichsgewicht (25) und wenigstens zwei Lagers teilen (23) aufweist, wobei die Lagerstellen der Ausgleichswelle in einem Gleitsitz unmittelbar an den Lagerflächen des Gehäuses gelagert sind, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass an den Lagerflächen (21) des Gehäuses ( 1 1) und/ oder an den Lagerstellen (23) der Ausgleichswelle (13) eine Lagerschicht (35) vorgesehen ist. 2. Ausgleichswelleneinheit nach Anspruch 1 , wobei die Lagerflächen (21) des Gehäuses (1 1) die jeweilige Lageröffnung ( 19) einteilig umfänglich umgeben. 3. Ausgleichswelleneinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gehäuse (1 1) derart einteilig ausgebildet ist, dass wenigstens zwei Lager- abschnitte ( 15), an denen die Lagerflächen (21) ausgebildet sind, und ein Verbindungsabschnitt ( 17), der die Lagerabschnitte (15) miteinander verbindet, durch ein einziges Teil gebildet sind. 4. Ausgleichswelleneinhcit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Lagerschicht (35) eine Metallschicbt, eine MeI ailoxid schiebt oder eine Carbidschicht umfasst, und /oder wobei die Lagerschicht (35) eine organische Schicht umfasst, und/ oder wobei die Lagerschicht (35) eine Keramikschicht oder eine keramikartige Schicht umfasst. 5. Ausgleichswelleneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lagerschicht (35) Molybdänsulfid oder Molybdändisulfid umfasst. 6. Ausgleichswelleneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lagerschicht (35) auf die Lagerfläche (21) des Gehäuses (1 1) oder auf die Lagerstelle (23) der Ausgleichswelle (13) aufge- spritzt oder aufgedampft ist, 7. Ausgleichswelleneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lagerschicht (35) eine Dicke zwischen 1 und 100 μm besitzt. 8. Ausgleichswelleneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lagerschicht (35) eine innere Lage und eine äußere Lage umfasst, wobei die innere Lage eine größere Härte besitzt als die äußere Lage. 9. Ausgleichswelleneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lagerschichl (35) entlang des Umfangs der jeweiligen Lagerstelle (23) der Ausgleichswelle (13) eine variierende Dicke aufweist, wobei die Lagerschicht (35) in einem in axialer Flucht zu dem Ausgleichsgewicht (25) liegenden Umfangswinkclbcrcich der Lager- stelle (23) eine größere Dicke besitzt als in einem diametral gegenüber liegenden Umfangswinkelbereich. 10. Ausgleichswelleneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (11) ein Gussteil ist, in dem die Lageröffnungen (19) als Bohrungen gebildet sind, und/oder wobei das Gehäuse (1 1} aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung besteht, und/oder wobei die Ausgleichswelle (13) aus Stahl besteht. |
Die Erfindung betrifft eine Ausgleichsweüeneinheit für einen Massen- ausgleich einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem Gehäuse, das wenigstens zwei Lagerflächen aufweist, die eine jeweilige Lageröffnung umfänglich umgeben, und mit wenigstens einer Ausgleichswelle, die wenigstens ein Ausgleichsgewicht und wenigstens zwei Lagersteüen aufweist, wobei die Lagerstellen der Ausgleichswelle in einem Gleitsitz unmittelbar an den Lagerflächen des Gehäuses gelagert sind.
Eine derartige Ausgleichswelleneinheit ist aus der WO 01/29447 Al bekannt.
Massenausgleichseinheiten mit Ausgleichswellen haben den Zweck, die bei Verbrennungskraftmaschinen entstehenden Massenkräfte und/ oder Massenmoraente zu kompensieren. Zu diesem Zweck ist das an der jeweiligen Ausgleichswelle vorgesehene Ausgleichsgewicht bezüglich der Drehachse der Ausgleichswelle exzentrisch angeordnet, d.h. das Ausgleichsge- wicht wirkt als Unwucht. Die jeweilige Ausgleichswelle steht in Antriebsverbindung mit der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine. Das Gehäuse der Ausgleichswelleneinheit ist beispielsweise an dem Kurbelgehäuse der Verbrennungskraftmaschine oder in der Ölwanne der Verbrennungskraftmaschine angeordnet, wobei das Gehäuse die jeweilige Aus- gleichswelle nicht notwendigerweise vollständig umschließen muss. Vielmehr muss das Gehäuse lediglich mehrere Lagerabschnitte (wie beispielsweise Lagerschilde) aufweisen, an denen die genannten Lagerflächen ausgebildet sind. Bei bestimmten Motortypen, beispielsweise bei Reihenmotoren mit vier Zylindern, werden derartige Ausgleichswellen paarweise eingesetzt, wobei die Ausgleichswellen mit der doppelten Kurbelwellendrehzahl gegenläufig rotieren. Aufgrund der hohen Drehzahl werden die Ausgleichswellen sowie das zugehörige Gehäuse stark belastet, so dass der Lagerung der Ausgleichswellen und der Stabilität der Ausgleichswelleneinheit eine große Bedeutung zukommt.
Ein besonders einfacher Aufbau der Ausgleichswelleneinheit ergibt sich, wenn die Lagerstellen der Ausgleichs welle und die zugeordneten Lagerflächen des Gehäuses ein jeweiliges Gleitlager bilden. Mit anderen Worten sind in diesem Fall die Lagerstellen der Ausgleichswelle in einem Gleitsitz unmittelbar an den Lagerflächen des Gehäuses gelagert, d.h. ohne dazwischen liegende Lagerbuchse. Es hat sich allerdings gezeigt, dass hierdurch nicht bei allen Anwendungen die erwünschten Lagereigenschaften erzielt werden, selbst wenn durch Ausbildung geeigneter Ölkanäle ein Schmierfilm zwischen der jeweiligen Lagerstelle der Ausgleichswelle und der zugeordneten Lagerfläche des Gehäuses gebildet wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Ausgleichswelleneinheit mit einer verbesserten Gleitlagerung zwischen der Ausgleichswelle und dem Gehäuse zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Ausgleichswelleneinheit mit den Merkma- len des Anspruchs 1 gelöst und insbesondere dadurch, dass an den Lagerflächen des Gehäuses und /oder an den Lagerstellen der Ausgleichswelle eine Lagerschicht vorgesehen ist.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgleichswelleneinheit ist an den Lagerflä- chen des Gehäuses, oder an den Lagerstellen der Ausgleichswcllcn, oder sowohl an den Lagerflächen des Gehäuses als auch an den Lagerstellen der Ausgleichswelle eine jeweilige Lagerschicht ausgebildet, welche dazu beiträgt, den Gleitsitz zwischen der Lagerstelle der Ausgleichswelle und der Lagerfläche des Gehäuses zu verbessern. Zwar hat sich gezeigt, dass es in vielen Anwendungsfällen ausreichend ist, das jeweilige Gleitlager zwischen der Ausgleichswelle und dem Gehäuse allein dadurch zu bilden, dass eine jeweilige zylindrische Lagerbohrung in dem Gehäuse eingearbeitet wird, in die die Ausgleichs welle mit der hieran ausgebildeten Lagerstelle eingeführt wird, wobei abgesehen von Polier- und Reinigungsschritten keine weiteren Bearbeitungsmaßnahmen erforderlich sind. Allerdings wird das hierdurch gebildete Gleitlager nicht allen Anforderungen gerecht, beispielsweise wenn besonders hohe Drehzahlen zu bewältigen sind, wenn die Ausgleichswelle eine besonders hohe Unwucht besitzt, oder wenn eine besonders lange Lebensdauer der Ausgleichswelleneinheit gefordert ist.
Insbesondere haben Untersuchungen gezeigt, dass ein wesentliches Problem bei der Direktlagerung einer Ausgleichswelle von den Metallpartikeln herrührt, die aufgrund von Abrieb innerhalb der Verbrennungskraftmaschinen entstehen und mit dem Schmieröl zu den Lagerstellen der Aus- gleichswelle gelangen. Ein weiteres Problem besteht in den Einlaufeffekten an den Kanten.
Um in derartigen Fällen eine wesentliche Verbesserung der Lagereigenschaften zu erzielen, ohne zusätzliche Bauelemente montieren zu müssen, ist an der Ausgleichswelleneinheit die genannte Lagerschicht vorgesehen, was in Bezug auf bislang bekannte Ausgleichswelleneinheiten eine unübliche Maßnahme darstellt. Die genannte Lagerschicht ist hierbei nicht an einem separaten Bauelement, wie beispielsweise einer Lagerbuchse, ausgebildet. Vielmehr ist die Lagerschicht unmittelbar an dem Gehäuse oder an der Ausgleichswelle ausgebildet und somit mit dem Gehäuse oder der Ausgleichswelle stoffschlüssig verbunden. Es hat sich gezeigt, dass diese Maßnahme, welche bezüglich der Herstellung der Ausgleichsweüeneinheit einen geringen zusätzlichen Aufwand bedeutet, zu einer erheblichen Verbesserung der Lagereigenschaften beiträgt.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend erläutert und in den Unteransprüchen genannt.
Bevorzugt umgeben die genannten Lagerflächen des Gehäuses die jeweili- ge Lageröffnung einteilig umfänglich. Mit anderen Worten ist die jeweilige Lagerfläche des Gehäuses bzw. der die Lagerfläche bildende Gehäuseabschnitt einstückig und nicht etwa als ein geteilter Lagerabschnitt ausgebildet. Hierdurch zeichnet sich die jeweilige Lagerfläche des Gehäuses durch eine besonders hohe Steifigkeit aus. Die jeweilige Lagerschicht der erfindungsgemäßen Ausgleichswelleneinheit ist somit besonders gut gegen eine Abnutzung {wie beispielsweise ein Abplatzen) geschützt, ohne dass die Lagerschicht an einem separaten Trägerelement aufgebracht sein muss.
Von besonderem Vorteil ist es auch, wenn das Gehäuse der Ausgleichswelleneinheit derart einteilig ausgebildet ist, dass wenigstens zwei Lagerabschnitte, an denen die genannten Lagerflächen ausgebildet sind und ein Verbindungsabschnitt, der die Lagerabschnitte miteinander verbindet, durch ein einziges Teil gebildet sind. Hierdurch werden nicht nur Fluch- tungsfehler der mehreren Lageröffnungen vermieden. Vor allem wird die Stabilität der Lageröffnungen noch weiter verbessert. Da die Lageröffnungen somit auch bei hohen Drehzahlen der Ausgleichswelle weniger auf Verformung belastet werden, ist die jeweilige Lagerschicht noch besser gegen Abnutzung geschützt. Somit ergibt sich eine erhöhte Lebensdauer der Lagerschichten. Die genannte Lagerschicht kann insbesondere eine Metallschicht (beispielsweise Chrom) umfassen, die sich von dem Material des Gehäuses bzw. der Ausgleichswelle unterscheidet. Alternativ kann die Lagerschicht eine Metalloxidschicht umfassen (beispielsweise Aluminiumoxid, insbesondere wenn das Gehäuse aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung besteht). Ferner ist es möglich, dass die Lagerschicht eine Carbid- schicht umfasst (beispielsweise Wolframcarbid).
Es ist ferner möglich, dass die Lagerschicht eine organische Schicht umfasst, also eine Kunststoffschicht, insbesondere einen Fluorkohlenstoff (beispielsweise Polytetrafluorethylen) .
Alternativ ist es auch möglich, dass die Lagerschicht eine Keramikschicht oder eine keramikartige Schicht umfasst (beispielsweise Titannitrid).
Für eine besonders wirkungsvolle Direktlagerung einer Ausgleichswelle kann die Lagerschicht einen Festschmierstoff umfassen, der Molybdän enthält, insbesondere Molybdänsulfid oder Molybdändisulfid (MoS2). Mo- lybdändisulfid ist als lufttrocknender Gleitlack erhältlich und kann auf die Lagerstelle der Ausgleichswelle aufgespritzt werden, wodurch sich eine besonders einfache Herstellung der Lagerschicht ergibt.
Die vorgenannten möglichen Bestandteile der Lagerschicht können in einer Zusammensetzung enthalten sein, die zusätzlich geeignete Trägeroder Hilfsstoffe enthält. Ferner kann die Lagerschicht mehrere Lagen unterschiedlicher Zusammensetzungen umfassen, wie nachfolgend noch erläutert wird. Was das Aufbringen der Lagerschicht auf die Lagerfläche des Gehäuses oder auf die Lagerstelle der Ausgleichswelle betrifft, so kann dies beispielsweise durch Aufspritzen oder Aufdampfen erfolgen. Sofern die Lagerschicht an der jeweiligen Lagerfläche des Gehäuses vorgesehen ist, ist nach der spanabhebenden Bearbeitung der betreffenden Lageröffnung im Wesentlichen lediglich ein Reinigen der Lagerfläche erforderlich, bevor das Aufbringen der Lagerschicht erfolgen kann. Von besonderem Vorteil ist hierbei, dass die Lagerschicht unmittelbar, d.h. ohne ein separates Trägerelement auf die jeweilige Lagerfläche aufgebracht und mit dieser stoff- schlüssig verbunden wird.
Bei der Lagerschicht handelt es sich vorzugsweise um eine dünne Schicht. Je nach verwendeter Materialpaarung kann beispielsweise eine Dicke zwischen 1 und 100 μm vorgesehen sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Lagerschicht eine innere Lage und eine hiervon unterschiedliche äußere Lage, wobei die innere Lage eine größere Härte besitzt als die äußere Lage. Die innere Lage ist in diesem Fall unmittelbar an den Lagerflächen des Gehäuses oder an den Lagerstellen der Ausgleichswellen vorgesehen, während die äußere Lage auf der inneren Lage vorgesehen ist und die innere Lage somit zumindest teilweise überdeckt. Die weichere äußere Lage kann somit beispielsweise zur Bewältigung von Einlaufeffekten optimiert sein, wobei die härtere innere Lage dazu vorgesehen ist, während der gesamten Lebens- dauer der Ausgleichswelleneinheit für eine verbesserte Gleitlagerung zu sorgen und beispielsweise auch bei Anlagerung von Verschmutzungspartikeln das Auftreten von Mischreibung zu verhindern. Die innere Lage und die äußere Lage der Lagerschicht können zu diesem Zweck unterschiedliche Zusammensetzungen besitzen, wobei die härtere innere Lage bei- spielsweise eine Metallschicht, eine Metalloxidschicht, eine Carbidschicht, eine Keramikschicht oder eine keramikartige Schicht umfasst, und wobei die weichere äußere Lage beispielsweise eine organische Schicht oder eine Molybdän-haltige Schicht umfasst.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besitzt die (einlagige oder mehrlagige) Lagerschicht entlang des Umfangs der jeweiligen Lagerstelle der Ausgleichswelle eine variierende Dicke, wobei die Lagerschicht in einem in axialer Flucht zu dem Ausgleichsgewicht liegenden Umfangswin- kelbereich der Lagerstelle eine größere Dicke besitzt als in einem diamet- ral gegenüber liegenden Umfangswinkelbereich. Mit anderen Worten ist die Lagerschicht umfänglich asymmetrisch ausgebildet und besitzt ihre größte Dicke in demjenigen Umfangswinkelbereichs der Lagerstelle, der der radialen Wirkrichtung der auf die Ausgleichsweüe wirkenden Unwuchtkraft entspricht. Die Dicke der Lagerschicht kann hierbei kontinu- ierlich oder stufenweise variieren, wobei auch eine Dicke Null vorgesehen sein kann, d.h. innerhalb eines begrenzten Umfangswinkelbereichs der Lagerstelle der Ausgleichs welle ist überhaupt keine Lagerschicht vorgesehen. Dies ist bezüglich der erwünschten Verbesserung der Gleitlagerungseigenschaften nahezu unerheblich, da die Lagerstelle der Ausgleichswelle in dem dem Ausgleichsgewicht diametral gegenüber liegenden Umfangswinkelbereich ohnehin nicht belastet wird.
Bei dieser Ausführungsform kompensiert die in Umfangsrichtung inhomogene Lagerschicht die rotierende Verlagerung der Lagerstelle der Aus- gleichswelle innerhalb der jeweiligen Lageröffnung des Gehäuses, welche aus der am Ausgleichsgewicht wirksamen Fliehkraft resultiert. Mit anderen Worten führt die an der Unwucht der Ausgleichswelle angreifende Fliehkraft dazu, dass die Achse der Lagerstelle der Ausgleichswelle (gemeinsam mit dem Ausgleichsgewicht) geringfügig um die (fest stehende) Achse der Lageröffnung des Gehäuses rotiert. Dies führt zu einer oszillie- renden Änderung des Abstands zwischen den beiden Zahnrädern, die bei den eingangs genannten Vier-Zylinder-Reihenmotoren üblicherweise eine Synchronisierstufe zwischen den beiden gegenläufig rotierenden Ausgleichswellen bilden. Diese oszillierende Abstandsänderung kann jedoch zu einer unerwünschten Geräuschbildung führen (so genanntes Verzahnungsrasseln). Dieses Problem ist beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2006 032 592 Al_beschrieben, wobei diese Druckschrift zur Lösung des Problems des Verzahnungsrasseins vorschlägt, einen jeweiligen Rundlauffehler der Zahnräder zu vermessen und die Zahnräder relativ zu den Ausgleichsgewichten gerichtet zu verbauen.
Durch die vorgenannte Ausführungsform (mit einer variierenden Dicke der Lagerschicht) wird ein derartiges Vermessen des Rundlauffehlers der Syn- chronisier-Zahnräder vermieden. Stattdessen muss lediglich die Lager- schicht in einem vorbestimmten Umfangswinkelbereich (relativ zu dem jeweiligen Ausgleichsgewicht) mit einer erhöhten Dicke an der Lagerstelle der Ausgleichswelle aufgebracht werden. Somit werden zugleich der Vorteil einer verbesserten Gleitlagerung der Ausgleichswelle und der Vorteil eines verringerten Verzahnungsrasseins erzielt.
Die Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
Fig, 1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Aus- gleichswelleneinheit.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Längsschnitt der Aus- gleichswelleneinheit gemäß Fig. 1 entlang der Ebene U-II mit zusätzlicher Darstellung des Antriebs. Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Ausgleichswelleneiπheit umfasst ein Gehäuse 1 1 und eine Ausgleichswelle 13. Bei dem Gehäuse 1 1 handelt es sich beispielsweise um ein Gussteil aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung. Das Gehäuse 1 1 umfasst zwei Lagerabschnitte 15, die über einen Verbindungsabschnitt 17 miteinander verbunden sind, wobei diese Abschnitte 15, 17 ein einziges Teil bilden.
In jedem Lagerabschnitt 15 des Gehäuses 1 1 ist eine Lageröffnung 19 als zylindrische Bohrung vorgesehen, wobei die beiden Lageröffnungen 19 miteinander fluchten. Die Umfangsfläche einer jeden Lageröffnung 19 bildet eine Lagerfläche 21.
Die Ausgleichswelle 13 besteht vorzugsweise aus Stahl und besitzt zwei zylindrische Lagerstellen 23. Die Lagerstellen 23 sind in einem jeweiligen Gleitsitz unmittelbar an den Lagerflächen 21 des Gehäuses 1 1 gelagert. Zwischen den beiden Lagerstellen 23 ist ein Ausgleichsgewicht 25 an der Ausgleichswelle 13 drehfest befestigt.
Die Ausgleichswelle 13 wird von einer Kurbelwelle 27 zu einer Drehbewe- gung angetrieben. Hierfür ist an der Kurbelwelle 27 ein Zahnrad 29 vorgesehen, welches mit einem Zahnrad 31 kämmt, welches an der Ausgleichswelle 13 vorgesehen ist. Die beiden Zahnräder 29, 31 bilden somit eine Antriebsstufe 33.
An den beiden Lagerflächen 21 des Gehäuses 1 1 ist eine jeweilige dünne Lagerschicht 35 ausgebildet. Die jeweilige Lagerschicht 35 ist vor dem Einsetzen der Ausgleichswelle 13 in das Gehäuse 1 1 beispielsweise durch Aufspritzen oder Aufdampfen aufgebracht. Alternativ hierzu kann eine jeweilige Lagerschicht 35 an den Lagerstellen 23 der Ausgleichswelle 13 vorgesehen sein. Die jeweilige Lagerschicht 35 kann beispielsweise eine Metallschicht, eine Carbidschicht, eine organische Schicht, eine Keramikschicht und /oder eine Schicht mit Molybdändisulfid umfassen. Die jeweilige Lagerschicht 35 kann mehrlagig ausgebildet sein. Ferner kann die jeweilige Lagerschicht 35 (bei Ausbildung an den Lagerstellen 23 der Ausgleichswelle 13) eine über den Umfang der Lagerstelle 23 variierende Dicke besitzen.
Die Lage rsch ich ten 35 bewirken eine verbesserte Gleitlagerung der Aus- gleichswelle 13 in dem Gehäuse 1 1 mit einer erhöhten Lebensdauer.
Bezugszeichenliste
11 Gehäuse
13 Ausgleichswelle 15 Lagerabschnitt
17 Verbindungsabschnitt
19 Lageröffnung
21 Lagerfläche
23 Lagers teile 25 Ausgleichsgewicht
27 Kurbelwelle
29 Zahnrad
31 Zahnrad
33 Antriebsstufe 35 Lagerschicht