专利名称：不平衡轴及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种用于平衡内燃机的惯性力和/或质量矩的不平衡轴。不平衡轴包括不平衡部段、邻接在该不平衡部段上的支承部段和与该支承部段接合的支承环，其中，不平衡部段的质心为了形成轴不平衡而相对于不平衡轴的转动轴线偏心地分布，其中，支承环的外周侧面作为用于转动支承不平衡轴的滚动轴承的滚动体的滚道，并且其内周侧面在不平衡方向上分布的支承周界区域中相对于不平衡部段的外周侧面径向地回弹。本发明还涉及一种用于制造这种不平衡轴的方法。
背景技术：
出于降低摩擦功率的原因而增加的从液力滑动支承的用于内燃机的质量平衡的不平衡轴向滚动支承的不平衡轴的转换需要对轴在结构上进行考虑支承部位的特定滚动负载的改变。通常在一体式制造的轴的情况下，仅通过锻造来达到所需要的滚动强度(Walzfestigkeit)，其中，这种制造方法相较于滑动支承的钢铸轴带来了更高的费用。在文献DE102008018545A1中给出了开头所提到类型的多件式的、也可以说构成式的不平衡轴。在该文献中提供了由铸造材料制成的滚动支承的轴，其带有由滚动轴承钢制成的支承环，其中，相对于 邻接的不平衡部段部分地或者完全轴向地回弹的支承环被安装在铸件上，并且随后由轴材料包封。然而，这种用来在不平衡轴的所配属的支承部段上接合支承环的方法可能带有一些弊端。那么，支承环在铸模中的安装需要相应匹配的铸造过程。此外，基于对支承环所需要的表面质量的考虑浇铸后的支承环以机械方式来后加工，并且基于对需要的表面硬度的考虑以热方式来后处理。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种开头所提到类型的滚动支承的不平衡轴，该不平衡轴可以利用比较小的花费来制造，并说明一种相应的制造方法。该任务从设备方面来说通过权利要求1的特征来解决，而从方法方面来说通过权利要求7的特征来解决。因此，为了将支承环装配到支承部段上设置有以下几何关系。这可以实现，首先轴与支承环分开来铸造，并且随后将支承环装配到轴上(尽管该支承环是闭合的并且相对于邻接的不平衡部段径向地回弹)。(i)d2 彡 dl(ii) e>l/2(d2-dl)(iii) e〈l/2(d2+dl)其中，dl=不平衡部段及支承部段的外包络圆直径，d2=支承环的内直径，e=d2与dl之间的中心偏移量。不等式(i )使得可以将支承环串到不平衡部段上，并且可以经过不平衡部段轴向地推动直至支承部段处。在此，优选设置有在支承环的内直径与不平衡部段和支承部段的共同外包络圆直径之间的间隙配合，也就是说d2>dl。尽管如此，根据不平衡部段的横切面形状也可以在弹性形变的作用下在不平衡部段上推动支承环，其中，于是d2〈dl适用。不等式(ii)是在外包络圆直径dl与内直径d2之间的最小中心偏移量e的度量，并且导致至少与支承部段接合的支承环的内周侧面相对于不平衡部段的外包络圆径向地弹回。不等式(iii)是在外包络圆直径dl与内直径d2之间的最大中心偏移量e的度量，并且说明与支承部段接合的支承环的内周侧面相对于不平衡部段的外包络圆最多可以径向地弹回多少。在本发明的改进方案中，支承环的外周侧面相对于不平衡部段的外包络圆也应该径向地弹回。于是以下的几何关系适用(iv) e>l/2 (d2-dl) +s其中，S=支承环的壁厚。支承环与支承部段的接合可以是形状锁合地起效的，其方式是在所提到的支承周界区域中邻接在支承环上的轴材料塑性形变。在此，塑性形变的轴材料可以(例如由于填缝)呈凸形地包围支承环的外周侧面或(例如由于铆接)嵌接到在支承环的环端面上的每个或多个凹槽中。相宜的是，支承环由滚动轴承钢如100Cr6制成，并且在其装配前，也就是说在接合的时间点就已经硬化了，并且备选地设有已经加工好的外周侧面。备选地，支承环与支承部段的接合可以是材料锁合地起效的，其方法是支承环与支承部段借助于在所提到的支承周界区域中分布的焊接连接部相互连接。备选地，支承环与支承部段的接合可以是力锁合地起效的，其方式是支承环与支承部段借助于在所提到的支承周界区域中分布的压配合相互接合。其他备选的附着方法可以是支承环与支承部段的粘合、销接、螺纹连接或楔嵌。在最后一种情况下可以设置如下，即，在支承部段背对不平衡的侧上用有承载能力的材料来填充与支承环的缝隙。这尤其可以是来填注缝隙的塑料，并且由于其相对较小的密度形成仅微小的抗不平衡(Gegenunwucht)。
在以下的描述和附图中给出了本发明其他的特征，在所述附图中部分简化了或示意性示出了根据本发明的不平衡轴的实施例。如果没有特殊说明，在此相同的或者功能相同的特征或构件被标注以相同的附图标记。其中图1示出在接合位置上带有支承环的不平衡轴的立体局部图，图2示出根据图1的不平衡轴的轴向俯视图，图3示出在其接合位置上径向地推动支承环之前的、根据图1的不平衡轴，图4示出根据图3的不平衡轴的轴向俯视图，图5示出带有备选地设计的不平衡部段的不平衡轴的径向俯视图，图6示出带有备选地设计的支承环的不平衡轴的立体局部图，图7以纵向切面示出支承环在支承部段上的第一形状锁合的接合连接，
图8以纵向切面示出支承环在支承部段上的第二形状锁合的接合连接，图9以纵向切面示出支承环在支承部段上的材料锁合的接合连接，图10以纵向切面示出支承环在支承部段上的力锁合的接合连接，图11以示意图示出为了将支承环装配到支承部段上所需要的几何关系，以及图12以示意图示出具有公知的二阶质量平衡的内燃机。
具体实施例方式应从附图12开始对本发明进行阐述，该附图结合传动示意图示出了以四缸串联结构形式的往复式活塞内燃机的还作为兰开斯特平衡(Lancaster-Ausgleich)被公知的质量平衡传动。内燃机I包括在其汽缸内震荡的活塞2，其纵向运动通过曲柄3被转换为曲轴4的旋转。这(此处通过中间轴5)驱动两个具有不平衡7的不平衡轴6，其中，不平衡轴6平行于曲轴4以加倍的曲轴转速反向旋转，以便补偿二阶自由惯性力。如以下所阐述的，本发明设置了由铸钢制成的不平衡轴，其带有套在铸造轴上且与支承部段接合的、由硬化的滚动轴承钢(例如型号100Cr6)制成的支承环。支承环的外周侧面与之对应地作为用于可旋转地支承不平衡轴的滚动轴承的及尤其是滚针轴承的滚动体的就滚动而言固定的(walzfest)滚道。不平衡轴以如下方式来设计，即，支承环相对于邻接在支承部段上的不平衡部段径向地回弹。图1和图2示出了如下这种不平衡轴6的局部的立体图或者说轴向俯视图，该不平衡轴带有不平衡部段8、邻接在不平衡部段上的支承部段9以及装配好的支承环10。为了形成轴不平衡7 (见图12)， 不平衡部段8的质心相对于不平衡轴6的转动轴线11偏心地分布。支承环10在其与支承部段9最终的接合位置上示出，在该接合位置上，不仅支承环10的内周侧面12，而且还有支承环10的外周侧面13都在不平衡方向上分布的支承周界区域中相对于不平衡部段8的外包络圆14径向地回弹。支承环10通过如下方式到达这种接合位置，即将它首先串到不平衡部段8上，然后根据图3和图4轴向地推动直到支承部段9处，并且最终径向地被推动到其根据图1和图2的回弹最终位置上。所提到的运动过程是基本且相对的运动，从而使在实际的装配中也可以是连支承环10被位置固定地保持，而轴6被运动。根据本发明的装配方法的前提是，支承环10的内直径d2至少与支承部段9和不平衡部段8的共同的外包络圆直径dl —样大，其中，支承环10在该不平衡部段8上被推动。上面提到的不等式(i) d2彡dl因此适用。图4图解说明了如下极限情况，在该极限情况下，直径差d2-dl刚好如下这样大，即，使支承环10在不平衡部段8上和支承部段9上可以滑动地推动。在图2中用e标注的在外包络圆直径dl与内直径d2之间的中心偏移量是对于与支承部段9接合的支承环10相对于邻接的不平衡部段8的外包络圆14径向地回弹多少的度量。这应该结合图1la至Ilc来阐述。图1la图解说明了上面提到的不等式(ii)e>l/2(d2-dl)的下限情况。中心偏移量e在此处如下这样小，即，在不平衡方向上分布的支承周界区域中使支承环10的内周侧面12相对于外包络圆14刚好回弹。图1lb图解说明了上面提到的不等式(iv) e>l/2(d2-dl)+s的下限情况。中心偏移量e在此处如下这样小，即，在不平衡方向上分布的支承周界区域中使具有壁厚s的支承环10的外周侧面13相对于外包络圆14刚好回弹。图1lc图解说明了上面提到的不等式(iii)e〈l/2(d2+dl)的上限情况。中心偏移量e在此处如下这样大，即，在直径上相对于在不平衡方向上分布的支承周界区域，支承环10的内周侧面12相对于外包络圆14刚好径向地回弹。在图5中示出的不平衡部段8具有备选的、带有侧向削平部15的横截面形状，支承环10被拉过该不平衡部段8。在图6中示出的支承环10具有在周界上变化的宽度，该宽度在不平衡方向上分布的且在那里受最高负载的支承周界区域中大于在直径上对置的支承周界区域中。这一方面使得支承环10同样有助于轴不平衡7 (见图12)，并且另一方面使得滚动轴承(未示出)的在支承环10上滚压且局部凸出的滚针被加载以运行产生的润滑剂雾。与所示出的不同的是，在周界上变化的宽度也可以相对于支承环10的横向中心平面镜像对称地实施。备选地或可选地，为了给滚针轴承供给润滑剂也可以设置有如下(未示出的)孔，该孔在低负载的支承周界区域中穿过支承环10。图7示出了支承环10与支承部段9的第一形状锁合的接合连接。在不平衡方向上分布的支承周界区域中，邻接在支承环10上的轴材料借助于填缝塑性形变成凸起部16，该凸起部在支承环10环端面17区域中包围支承环的外周侧面13。图8示出了支承环10与支承部段9的第二形状锁合的接合连接。支承环10的壁厚s (见图2)在此处相对较大，并且其环端面17设有分别以环形槽18形式的凹槽，在此情况下借助于铆接塑性形变的轴材料嵌接到该凹槽中。图9示出了支承环10与支承部段9的材料锁合的接合连接，它们借助于支承环10在环端面17区域中的焊接缝19相互连接。图10示出了支承环10与支承`部段9的力锁合的接合连接。在不平衡方向上分布的支承周界区域中，支承环10的环端面17以及容纳该环端面17的支承部段9的轴向端面20借助于轴向压合来接合。可以通过如下方式热支持结合过程，即支承部段9被加热和/或支承环10被冷却。附图标记列表I内燃机2活塞3曲柄4曲轴5中间轴6不平衡轴7不平衡8不平衡部段9支承部段10支承环11不平衡轴的转动轴线12支承环的内周侧面
13支承环的外周侧面14外包络圆15削平部16凸起部17支承环的环端面18槽 19焊接缝20轴向端面
权利要求
1.用于平衡内燃机(I)的惯性力和/或质量矩的不平衡轴，其具有不平衡部段(8)、邻接在所述不平衡部段(8)上的支承部段(9)和与所述支承部段接合的支承环(10)，其中，所述不平衡部段(8)的质心为了形成轴不平衡(7)而相对于所述不平衡轴(6)的转动轴线(11)偏心地分布，所述支承环(10)的外周侧面(13)作为用于转动支承所述不平衡轴的滚动轴承的滚动体的滚道，并且所述支承环(10)的内周侧面(12)在不平衡方向上分布的支承周界区域中相对于所述不平衡部段(8)的外包络圆(14)径向地弹回，其特征在于，为了将所述支承环(10)装配到所述支承部段(9)上设置有以下的几何关系(i)d2 ^ dl(ii)e>l/2(d2-dl)(iii)e〈l/2(d2+dl) 其中， dl=所述不平衡部段(8)及所述支承部段(9)的外包络圆直径， d2=所述支承环(10)的内直径， e=d2与dl之间的中心偏移量。
2.根据权利要求1所述的不平衡轴，其特征在于，所述支承环(10)的外周侧面(13)相对于所述不平衡部段(8)的外包络圆(14)也径向地弹回，其中，以下几何关系适用(iv)e>l/2(d2_dl)+s 其中， s=所述支承环(10)的壁厚。
3.根据权利要求1或2所述的不平衡轴，其特征在于，所述支承环(10)与所述支承部段(9)借助于在所提到的支承周界区域中邻接在所述支承环(10)上的轴材料的塑性形变形状锁合地相互接合。
4.根据权利要求3所述的不平衡轴，其特征在于，塑性形变的轴材料呈凸起形地包围所述支承环(10)的外周侧面(13)。
5.根据权利要求3所述的不平衡轴，其特征在于，塑性形变的轴材料嵌接到在所述支承环(10)的环端面(17)上的每个或多个凹槽(18)中。
6.根据权利要求1或2所述的不平衡轴，其特征在于，所述支承环(10)与所述支承部段(9)借助于在所提到的支承周界区域中分布的焊接连接部(19)材料锁合地相互接合。
7.根据权利要求1或2所述的不平衡轴，其特征在于，所述支承环(10)与所述支承部段(9)借助于在所提到的支承周界区域中分布的压配合力锁合地相互接合。
8.用来制造用于平衡内燃机(I)的惯性力和/或质量矩的不平衡轴的方法，所述不平衡轴具有不平衡部段(8 )、邻接在所述不平衡部段(8 )上的支承部段(9 )和与所述支承部段接合的支承环(10 )，其中，所述不平衡部段(8 )的质心为了形成轴不平衡(7 )而相对于所述不平衡轴(6)的转动轴线(11)偏心地分布，所述支承环(10)的外周侧面(13)作为用于转动支承所述不平衡轴(6)的滚动轴承的滚动体的滚道，并且所述支承环(10)的内周侧面(12)相对于所述不平衡部段(8)的外包络圆(14)径向地弹回，其特征在于，将所述支承环(10)串到所述支承部段(8)上，轴向推动直至所述支承部段(9)处，并且径向推动到其回弹的接合位置上，并且随后与所述支承部段(9)接合，其中，为了将所述支承环(10)装配到所述支承部段(9)上设置有以下的几何关系(i)d2 ^ dl(ii)e>l/2(d2-dl)(iii)e〈l/2(d2+dl) 其中， dl=所述不平衡部段(8)及所述支承部段(9)的外包络圆直径， d2=所述支承环(10)的内直径， e=d2与dl之间的中心偏移量。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述支承环(10)在其装配前为了提高硬度而被热处理。
全文摘要
提供了一种用于平衡内燃机(1)的惯性力和/或质量矩的不平衡轴，其具有不平衡部段(8)、邻接在该不平衡部段上的支承部段(9)和与该支承部段接合的支承环(10)，其中，不平衡部段(8)的质心为了形成轴不平衡(7)相对于不平衡轴(6)的转动轴线(11)偏心地分布，其中，支承环(10)的外周侧面(13)作为用于转动支承不平衡轴的滚动轴承的滚动体的滚道，并且支承环(10)的内周侧面(12)在不平衡方向上分布的支承周界区域中相对于不平衡部段的外包络圆(14)径向地弹回。为了将支承环装配到支承部段上设置有以下的几何关系(i)d2≥d1，(ii)e>1/2(d2-d1)，(iii)e<1/2(d2+d1)，其中，d1=不平衡部段及支承部段的外包络圆直径，d2=支承环的内直径，e=d2与d1之间的中心偏移量。
文档编号F16F15/26GK103069193SQ201180039927
公开日2013年4月24日 申请日期2011年7月7日 优先权日2010年8月13日
发明者彼得·索尔弗兰克, 托比亚斯·梅德拉 申请人:谢夫勒科技股份两合公司