DE19830051C1 - Balancer with eccentrically shaped weights - Google Patents
Balancer with eccentrically shaped weightsInfo
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Abstract
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.The invention relates to a balance shaft for compensating inertial forces and / or mass moments in internal combustion engines of the reciprocating piston type, in which cher with the help of two on bearing parts on the geometric wavelength longitudinal ends bordering and diagonally in the direction of the shaft axis with respect to the geometri cal counterweights arranged opposite one another eccentric mass distribution is provided.
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. Such a balancer shaft is described in DE 44 12 476 A1. For the location balancing shafts have bearing journals on the the wavelength ends. On one bearing journal there is usually an on drive wheel attached. Depending on the task (balancing of mass moments or mass forces), the balancing shafts with the same or double Speed of the crankshaft of the respective machine driven. The compensation Shafts are often housed in the engine housing of the machine. When a Position below an existing oil bath level is required, the Balance shaft to reduce splashing losses with a cylindrical Enclosed envelope.
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.In the known, the aim is to make the balance shaft as rigid as possible Avoid interference from the wave's own bending vibrations. From the For this reason, separately machined axles are aligned in Boh stakes firmly inserted at the respective wavelength end. It is also provided that Form balancing weights in one piece as part of the balancer shaft. The out Equilibrium weights can optionally also be pre-fixed to the inner wall called envelope can be connected.
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.Balance shafts are effective due to their weight. That weight and that The drive power required to operate the shaft has an additional one Resulting in energy consumption. The invention is accordingly based on the first aim de, an optimum between the weight used and the result achieved to be achieved directly from mass moments or forces.
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.According to one of the findings on which the invention is based, geo Metry of the respective balance shaft or the eccentrically arranged therein Balance weights also undesirable additional vibrational forces in the ever machine are generated. These vibrational forces depend on that Natural frequency behavior of the balance shaft and its parts. Another of the The aim of the invention is to reduce the natural vibrations dampen that the desired smoothness is not adversely affected.
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.The invention has for its object to overcome the aforementioned disadvantages to achieve that and the goals. The solution according to the invention is in the Kennzei Chen of claim 1 described. Some improvements and more Embodiments of the invention are specified in the subclaims.
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.The essence of the present invention is that even within each off equilibrium a mas eccentric with respect to its geometric center sen distribution is provided, with the center of mass of each compensation weight between its geometric center and the adjacent waves longitudinal end should lie. According to the invention it is assumed that the off equilibriums with on the wavelength in the direction of the shaft axis to train all equal mass distribution. Preferably, the geometry of the Balance weights determined so that the focus of the Un balance weights to be designated, towards the outside (towards the bearings) to distribute; in this sense, is the focus of the individual balance weight understood the point of application of the respective force.
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.The mere fact that within each balance weight one with respect to the single balance weight eccentric mass distribution with the geometri cal center of the respective balance weight in the direction of the wavelength end shifted focus, an optimum of used weight and thereby achievable compensation of the piston motion-related imbalance with the egg steamed to a non-disturbing level countervailing the counterweights. In other words: that by the invention aimed at by a from the longitudinal ends to Middle of decreasing density corresponding to uneven mass distribution due to fabric che inhomogeneity of the counterweights and / or by a corresponding un same geometry achieved.
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°. A preferred geometry of the counterweights within the scope of the invention describe yourself by saying the cross-section of the individual compensation ge weight take in the direction from the geometric wave center to the Balance weight adjacent to the longitudinal end of the shaft. Preferably in Within the scope of the invention, a constant increase in the cross section is provided. The corresponding slope with which the cross-section of the individual compensation weight in the longitudinal direction depends on the various for the typical engine forces and frequencies. The slope can be for example using iterative methods. Results in exemplary embodiments gradients (core angle) of the order of 2-20 °, preferably 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.Just through the claimed geometry of the Aus acting as unbalance Equilibrium weights according to the invention can achieve the desired conformity between low weight and counter torque to be achieved with non-disturbing egg counter frequency behavior can be obtained. If necessary, the single out balance in itself be materially homogeneous.
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.The aim of the invention to reduce the weight required for Balancing the gravitational forces of the respective machine is sufficient, with the geometric compensation - clearly that it is usually sufficient if the largest cross section of the counterweight is approximately equal to half the cross section the balance shaft is.
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.According to the invention, the counterweights can be made in one piece on the inner surface an outer cylindrical shell are formed. Such a shell is used known to reduce splashing losses in the oil pan of an engine. in the Within the scope of the invention, the casing as a tube with a solid wall can have rigidity or design strength of the entire balancer shaft. This will make one receive correspondingly great freedom, the counterweights themselves in the sense of Training to solve the problem mentioned at the beginning.
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.If such an outer cylindrical shell encloses the counterweights, the latter should lie in one piece on the inner surface of the casing. Inside the shell Cavities therefore remain next to the counterweights. According to others Invention is preferred between the two in addition to the diagonally opposite cavities in the area of the smallest Cross-sections of the counterweights - in the area of the largest cross-sections the cavities - an open through connection (a hole or a bore) provided between the two cavities. Preferably the hole cross cut small between the two cavities against the cross section of the angren cavities. This will make the inside of the balance shaft box-shaped mig, like a bamboo cane, divides and receives a high one despite the thin wall Stiffness with the result that the amplitudes of the natural frequencies of the wave further - to a barely noticeable level.
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.In the context of the invention, it is preferred to form the balance shaft in one piece Cast iron, preferably GGG-70 to produce. This has more than just advantages fend the manufacturing effort but material-based also regarding the Attenuation of natural vibrations (reduction of possible noise pollution) of the Balance shaft or their balance weights.
Anhand der schematischen Zeichnung von Ausführungsbeispielen werden Einzel heiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:Using the schematic drawing of exemplary embodiments, individual units of the invention explained. Show it:
Fig. 1 einen Schnitt (längs der Wellenachse) durch eine erfindungsgemäße Ausgleichswelle; und Fig. 1 is a section (along the shaft axis) by an inventive balance shaft; and
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung wesentlicher Teile der Welle nach Fig. 1. Fig. 2 is a perspective view of essential parts of the shaft of 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.The designated overall by 1 balancer shaft according to Fig. 1 and 2 has axle journals 2 and 3, which are fixedly inserted designating the respective shaft in coaxially aligned bores 4. The balance shaft 1 has diagonally opposite balance weights 5 and 6 within an outer cylindrical sleeve 7 (tube) and in one piece with it. The left-hand journal 2 in the drawing carries a drive element 8 , e.g. B. gear. The journal 2 and 3 and the outer surface of the sleeve 7 are rotationally symmetrical with respect to the shaft axis 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.According to the invention, an eccentric mass distribution is provided within each counterbalance weight 5 , 6 acting as an unbalance with respect to its geometric length L measured in the direction of the shaft axis 9 , the center of gravity S of each counterweight 5 , 6 - as shown in FIG. 1 - between the geome trical center M of its length L and the adjacent bearing part 10 , 11 . By definition, the two counterweights 5 , 6 extend as far as the bearing parts 10 , 11 . Its length L is measured between the geometric shaft center Z and the respective limit to the bearing part 10 or 11 . In the embodiment example, the cross section of the individual counterweight 5 , 6 increases in the direction from the geometric shaft center Z to the respective wavelength end on the bearing part 10 , 11 , preferably continuously. The cross section of the individual balancing weight 5 , 6 increases from a minimum in the area of the geometric shaft center Z to a maximum of approximately half the shaft cross section - in the vicinity of the wavelength ends or adjacent to the transition to the bearing parts 10 , 11 .
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.As I said, the counterweights 5 , 6 are preferably formed in one piece on the inner surface 12 of the outer cylindrical shell 7 . To define vibration nodes and thus to influence or improve the Eigenfre quency behavior of the balance shaft 1 , it may be advantageous in this context if between the two in addition to the balance weights 5 , 6 within the tubular shell 7 remaining cavities 13 , 14 in the smallest area Cross sections of the counterweights 5 , 6 - that is to say in the region of the geometrical shaft center Z - an open through connection or a hole 15 is provided. The hole diameter should - especially to improve the natural frequency behavior - be significantly smaller than the sum of the maximum cross sections of the cavities 13 , 14 in this area. For the improvement of the egg frequency behavior, it may also be advantageous to edge 16 and 17 of the counterweights 5 , 6 adjacent to the geometric shaft center Z or adjacent to the bore 4 provided for receiving the journal 2 , 3 in the in Fig. 1 in principle illustrated round off.
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.A balance shaft 1 in the form shown was produced in an experiment from cast iron GGG-70. The length of the balance shaft 1 - measured over the bearing parts 10 , 11 receiving the bore 4 - was 240 mm. The diameter of the shell 7 was 63 mm. The wall thickness of the shell 7 was 9 mm. The clear width of hole 4 was 17 mm. The measured in the direction of the shaft axis 9 thickness of the bore 4 receiving longitudinal ends 10 , 11 was 23 mm. The core angle K, which describes the inclination of the counterweights 5 , 6 between the shaft axis 9 and the inner surface 18 of the counterweights 5 , 6 , was 6 °. The diameter of the hole 15, which is essentially circular in the exemplary embodiment, in the region of the geometric shaft center Z was 20 mm.
11
= Ausgleichswelle
= Balance shaft
22nd
, ,
33rd
= Achszapfen
= Journal
44th
= Bohrung
= Hole
55
, ,
66
= Ausgleichsgewicht
= Balance weight
77
= Hülle
= Envelope
88th
= Antriebselement
= Drive element
99
= Wellenachse
= Shaft axis
1010th
, ,
1111
= Lagerteile
= Bearing parts
1212th
= Innenfläche (= Inner surface (
77
)
)
1313
, ,
1414
= Hohlraum
= Cavity
1515
= Loch
= Hole
1616
, ,
1717th
= Kante
= Edge
1818th
= Innenfläche
L= Länge (= Inner surface
L = length (
55
, ,
66
)
M= geometrische Mitte ()
M = geometric center (
55
, ,
66
)
S= Schwerpunkt ()
S = center of gravity (
55
, ,
66
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Z= geometrisches Wellenzentrum
K= Kernwinkel
)
Z = geometric wave center
K = core angle
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