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Die Erfindung betrifft eine Massenausgleichseinheit mit einer hohlen Ausgleichswelle, wenigstens einem an der Ausgleichswelle vorgesehenen Ausgleichsgewicht und wenigstens einem Wälzlager, das einen Lageraußenring und mehrere Wälzkörper aufweist, wobei ein Längsabschnitt der Ausgleichswelle einen Lagerinnenring bildet und die Wälzkörper zwischen dem Lageraußenring und dem Längsabschnitt der Ausgleichswelle aufgenommen sind.
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Eine Massenausgleichseinheit mit einer oder mehreren Ausgleichswellen hat den Zweck, die in einer Verbrennungskraftmaschine typischerweise auftretenden Massenkräfte und/oder Massenmomente auszugleichen. Hierfür ist an der jeweiligen Ausgleichswelle wenigstens ein Ausgleichsgewicht vorgesehen, insbesondere drehfest montiert, um eine Unwucht zu bilden. Die Ausgleichswelle steht in Antriebsverbindung mit der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine, wodurch die Ausgleichswelle und das hieran vorgesehene Ausgleichsgewicht in Rotation versetzt werden. Bei bestimmten Motortypen, beispielsweise bei Reihenmotoren mit vier Zylindern, werden derartige Ausgleichswellen paarweise eingesetzt, wobei die Ausgleichswellen gegenläufig rotieren. Bei anderen Motortypen ist eine einzige Ausgleichswelle vorgesehen, die beispielsweise zwei zueinander diametral gegenüberliegend, jedoch axial versetzt angeordnete Ausgleichsgewichte aufweist.
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Durch Verwendung von Wälzlagern ergibt sich ein besonders ruhiger Lauf der jeweiligen Ausgleichswelle, und es können hohe Drehzahlen erreicht werden. Indem ein integraler Längsabschnitt der Ausgleichswelle einen Lagerinnenring des Wälzlagers bildet, vereinfacht sich der Aufbau des Wälzlagers. Sofern die Ausgleichswelle hohl ist, besitzt sie auch ein vorteilhaft geringes Gewicht und Trägheitsmoment.
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Aufgrund der durch das Ausgleichsgewicht bewirkten Unwucht werden die Ausgleichswelle und deren Lager jedoch stark belastet, so dass eine entsprechend stabile Auslegung der Welle und Dimensionierung der Lager erforderlich sind. Dies führt jedoch zu einem hohen Gewicht und unerwünscht hohen Kosten der Massenausgleichseinheit.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Massenausgleichseinheit der genannten Art zu schaffen, die einen leichteren und kostengünstigeren Aufbau ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Massenausgleichseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, und insbesondere dadurch, dass die Ausgleichswelle benachbart zu dem Längsabschnitt wenigstens eine Ausnehmung aufweist, um die Steifigkeit des Längsabschnitts der Ausgleichswelle in radialer Richtung zu verringern.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer herkömmlichen Massenausgleichseinheit vergleichsweise hohe Punktbelastungen zwischen den Wälzkörpern und dem Lagerinnenring des Wälzlagers, d. h. dem betreffenden Längsabschnitt der Ausgleichswelle auftreten. Diese Punktbelastungen konzentrieren sich auf einen eng begrenzten Umfangswinkelbereich des betreffenden Längsabschnitts der Ausgleichswelle. Dieser Umfangswinkelbereich wird nachfolgend auch als Lastzone bezeichnet. Die Konzentration der zwischen dem betreffenden Längsabschnitt der Ausgleichswelle und den Wälzkörpern auftretenden Radialkräfte auf eine in Umfangsrichtung eng begrenzte Lastzone resultiert aus der Radiallast der Welle, welche durch die mit der Welle rotierende Unwucht (d. h. durch das Ausgleichsgewicht) hervorgerufen wird. Die Auslegung der Ausgleichswelle und die Dimensionierung des Wälzlagers müssen in Abhängigkeit von den genannten Punktbelastungen innerhalb der Lastzone gewählt werden.
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Insbesondere kann die radiale Steifigkeit der Ausgleichswelle in der Lastzone des besagten Längsabschnitts durch axial benachbart zu diesem Längsabschnitt an der Ausgleichswelle befestigte Teile (wie beispielsweise Ausgleichsgewichte, Antriebsräder, Abtriebsräder oder sonstige Teile) im Vergleich zu einer Welle ohne derartige befestigte Teile erhöht sein. Ebenfalls kann der genannte Längsabschnitt der Ausgleichswelle durch axial benachbarte nicht rotationssymmetrische Teile (wie beispielsweise Ausgleichsgewichte) nach deren Befestigung im Querschnitt oval verformt sein, was wiederum zu einer kleineren Lastzone führen kann und somit noch höhere mechanische Druckspannungen zwischen den Wälzkörpern und dem den Lagerinnenring bildenden Längsabschnitt der Ausgleichswelle bewirken kann.
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Bei der erfindungsgemäßen Massenausgleichseinheit umfasst die Ausgleichswelle in axialer Richtung benachbart zu dem den Lagerinnenring bildenden Längsabschnitt wenigstens eine Ausnehmung. Diese Ausnehmung dient dazu, die Steifigkeit des den Lagerinnenring bildenden Längsabschnitts der Ausgleichswelle in radialer Richtung zu verringern. Mit anderen Worten ist die wenigstens eine Ausnehmung ausreichend nahe zu dem betreffenden Längsabschnitt der Ausgleichswelle angeordnet, um die Verformbarkeit der Lastzone in radialer Richtung zu erhöhen. Die Ausnehmung bewirkt somit eine Entkopplung zwischen dem den Lagerinnenring bildenden Längsabschnitt der Ausgleichswelle einerseits und den hierzu axial benachbart an der Ausgleichswelle befestigten Teilen, die eine erhöhte radiale Steifigkeit und/oder eine Ovalisierung des genannten Längsabschnitts bewirken, andererseits. Durch eine gewisse Nachgiebigkeit der Lastzone in radialer Richtung wird erreicht, dass die Lastzone einen größeren Umfangswinkelbereich einnimmt als ohne eine derartige Ausnehmung. Somit vergrößert sich die Anzahl der Wälzkörper, die kraftschlüssig an der mit Unwucht rotierenden Ausgleichswelle anliegen, und dementsprechend verringert sich die jeweilige Punktbelastung zwischen den einzelnen Wälzkörpern und dem betreffenden Längsabschnitt der Ausgleichswelle. Die Massenausgleichseinheit kann somit im Bereich des jeweiligen Wälzlagers auf geringere Belastungsspitzen ausgelegt werden, wodurch sich das Gewicht und die Kosten verringern.
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Sofern im Zusammenhang mit der Erfindung Richtungsangaben genannt sind (z. B. axial oder radial), so beziehen sich diese auf die Drehachse der Ausgleichswelle.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend und in den abhängigen Ansprüchen genannt.
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Generell ist die genannte wenigstens eine Ausnehmung zwischen dem betreffenden Längsabschnitt der Ausgleichswelle und dem in der Umgebung des Wälzlagers vorgesehenen Ausgleichsgewicht, Antriebsrad, Abtriebsrad oder sonstigen an der Ausgleichswelle befestigten Teil angeordnet. Vorzugsweise ist die Ausnehmung angrenzend zu dem den Lagerinnenring des Wälzlagers bildenden Längsabschnitt der Ausgleichswelle angeordnet, d. h. unmittelbar benachbart zu dem Längsabschnitt. Hierdurch kann besonders wirksam die erwünschte Verformbarkeit des genannten Längsabschnitts der Ausgleichswelle herbeigeführt werden, ohne dass die Ausnehmung übermäßig groß dimensioniert sein muss, wodurch sich die Biegesteifigkeit und Torsionssteifigkeit der Ausgleichswelle verschlechtern würden.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die wenigstens eine Ausnehmung sich lediglich entlang eines begrenzten Umfangswinkelbereichs der Ausgleichswelle erstreckt, nämlich entsprechend der resultierenden Lastzone der Ausgleichswelle. Da lediglich eine an der Ausgleichswelle wirksame Radiallast kompensiert werden muss, die aufgrund der drehfesten Anordnung des Ausgleichsgewichts mit der Welle rotiert, ist es ausreichend, wenn die radiale Verformbarkeit der Ausgleichswelle entlang des genannten Längsabschnitts sich auf einen begrenzten Umfangswinkelbereich beschränkt. Hierdurch wird also erreicht, dass die Stabilität der Ausgleichswelle insgesamt nicht beeinträchtigt wird.
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Beispielsweise kann dieser begrenzte Umfangswinkelbereich einen Wert zwischen 90° und 180° besitzen.
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Die Winkelausrichtung der genannten wenigstens einen Ausnehmung bzw. des genannten begrenzten Umfangswinkelbereichs entspricht vorzugsweise der Winkelausrichtung des Ausgleichsgewichts. Mit anderen Worten ist die Ausnehmung oder Anordnung von mehreren Ausnehmungen bezüglich ihrer Winkelstellung an der Ausgleichswelle in Flucht zu dem Ausgleichsgewicht oder zu dem Schwerpunkt des Ausgleichsgewichts angeordnet. Hierdurch ist gewährleistet, dass die gewünschte elastische Verformbarkeit des betreffenden Längsabschnitts der Ausgleichswelle entlang eines Umfangswinkelbereichs bewirkt wird, welcher der genannten Lastzone entspricht.
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Was die Formgebung der genannten Ausnehmung betrifft, so kann diese beispielsweise als ein Schlitz ausgebildet sein, der sich in Umfangsrichtung der Ausgleichswelle erstreckt. In diesem Fall genügt eine einzige Ausnehmung an dem betreffenden Ende des Lagerinnenrings bzw. Längsabschnitts der Ausgleichswelle, um die Steifigkeit der Ausgleichswelle im Bereich des Wälzlagers hinreichend zu verringern.
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Alternativ hierzu ist es beispielsweise möglich, dass mehrere Bohrungen vorgesehen sind, die beabstandet voneinander oder ineinander übergehend entlang der Umfangsrichtung der Ausgangswelle verteilt angeordnet sind.
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Die jeweilige Ausnehmung kann als eine durchgehende Öffnung (z. B. Schlitz oder Bohrung) in der Wandung der hohlen Ausgleichswelle ausgebildet sein. Durch eine derartige vollständige Durchbrechung der Wandung kann sich die Herstellung der Ausgleichswelle vereinfachen. Alternativ hierzu kann die jeweilige Ausnehmung allerdings auch lediglich als eine Vertiefung (z. B. Schlitz) an der Oberfläche der Ausgleichswelle ausgebildet sein, d. h. ohne Durchbrechung der Wandung. Hierdurch bleibt eine höhere Stabilität der Ausgleichswelle bezüglich einer Biegebelastung oder Torsionsbelastung erhalten.
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Vorzugsweise umfasst die Ausgleichswelle an beiden axialen Enden des den Lagerinnenring bildenden Längsabschnitts wenigstens eine jeweilige Ausnehmung. Hierdurch wird eine besonders gleichmäßige Verformbarkeit des betreffenden Längsabschnitts der Ausgleichswelle erzielt. Es ist jedoch auch möglich, dass lediglich an einem Ende des betreffenden Längsabschnitts der Ausgleichswelle eine oder mehrere Ausnehmungen vorgesehen sind, insbesondere wenn sich das betreffende Wälzlager an einem Längsende der Ausgleichswelle befindet. Ferner kann auch innerhalb des betreffenden Längsabschnitts der Ausgleichswelle wenigstens eine Ausnehmung vorgesehen sein, um die Steifigkeit zu verringern.
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Die Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Gleiche oder gleichartige Elemente sind darin mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1a zeigt eine Längsschnittansicht einer ersten Ausführungsform einer Massenausgleichseinheit.
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1b zeigt eine Perspektivansicht der Ausgleichswelle gemäß der ersten Ausführungsform von unten.
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2a zeigt eine Längsschnittansicht einer zweiten Ausführungsform einer Massenausgleichseinheit.
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2b zeigt eine Perspektivansicht der Ausgleichswelle gemäß der zweiten Ausführungsform von seitlich schräg unten.
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2c zeigt eine Perspektivansicht der Ausgleichswelle gemäß der zweiten Ausführungsform von unten.
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3a zeigt eine Unteransicht einer Ausgleichswelle gemäß einer dritten Ausführungsform.
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3b zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Ebene IIIb-IIIb gemäß 3a.
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3c zeigt eine Perspektivansicht der Ausgleichswelle gemäß der dritten Ausführungsform von seitlich schräg unten.
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4a zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines herkömmlichen Wälzlagers in einem unbelasteten Zustand.
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4b zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines herkömmlichen Wälzlagers in einem belasteten Zustand.
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Die in 1a und 1b gezeigte Massenausgleichseinheit umfasst einen hohle, d. h. rohrförmige Ausgleichswelle 11. An der Ausgleichswelle 11 sind zwei Ausgleichsgewichte 13 befestigt, beispielsweise durch eine Schrumpfsitzverbindung, Verschrauben, Verschweißen oder Verstiften. Zur Erzeugung einer Unwucht besitzen die Ausgleichsgewichte 13 im Wesentlichen die Form eines Halbzylindersegments mit zwei daran angeformten Haltebügeln, wobei bezogen auf die Drehachse A der Ausgleichswelle 11 die Winkelausrichtung des einen Ausgleichsgewichts 13 der Winkelausrichtung des anderen Ausgleichsgewichts 13 entspricht. An der Ausgleichswelle 11 ist ferner ein Antriebsrad 15 befestigt, beispielsweise ebenfalls mittels einer Schrumpfsitzverbindung. Das Antriebsrad 15 kann unmittelbar mit der Kurbelwelle einer zugeordneten Verbrennungskraftmaschine antriebsverbunden sein, um eine Antriebsstufe zu bilden. Alternativ hierzu kann das Antriebsrad 15 mit einem entsprechenden Abtriebsrad einer parallel angeordneten Ausgleichswelle antriebsverbunden sein, um eine Synchronstufe zu bilden
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Die Ausgleichswelle 11 ist in einem einteiligen Gehäuse 17 um die Drehachse A drehbar gelagert. Hierfür ist zwischen den beiden Ausgleichsgewichten 13 ein Wälzlager 19 vorgesehen, das als ein Nadellager ausgebildet ist. Das Wälzlager 19 umfasst mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Wälzkörper 21, die bei der Ausführung als Nadellager eine lang gestreckte Zylinderform besitzen. Die Wälzkörper 21 sind zwischen einem Lageraußenring 23 des Wälzlagers 19 und einem Lagerlängsabschnitt 25 der Ausgleichswelle 11 aufgenommen. Die Ausgleichswelle 11 bildet an dem Lagerlängsabschnitt 25 somit einen Lagerinnenring für das Wälzlager 19.
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An dem dem Antriebsrad 15 gegenüberliegenden Ende der Ausgleichswelle 11 ist ein weiteres Wälzlager 27 vorgesehen, das ebenfalls als ein Nadellager ausgebildet ist. Benachbart zu dem Antriebsrad 15 ist ferner ein als ein Kugellager ausgebildetes Wälzlager 29 vorgesehen.
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Die gezeigte Massenausgleichseinheit dient in an sich bekannter Weise dazu, die in der zugeordneten Verbrennungskraftmaschine auftretenden Massenkräfte auszugleichen. Hierfür wird mittels des Antriebsrads 15 die durch die Ausgleichsgewichte 13 gebildete Unwucht synchron zu der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine in Rotation versetzt.
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Erfindungsgemäß umfasst die Ausgleichswelle 11 an beiden Enden des Lagerlängsabschnitts 25 eine jeweilige Ausnehmung 31. Die jeweilige Ausnehmung 31 ist bei der hier gezeigten Ausführungsform nahezu angrenzend zu dem Lagerlängsabschnitt 25 angeordnet und umfasst einen Schlitz, der sich entlang eines begrenzten Umfangswinkelbereichs entlang der Umfangsrichtung der Ausgleichswelle 11 erstreckt. Die Ausnehmung 31 (Schlitz) bildet bei der Ausführungsform gemäß 1a und 1b eine Durchbrechung, d. h. eine durchgehende Öffnung in der Wandung der hohlen Ausgleichswelle 11.
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Die Winkelausrichtung der beiden Ausnehmungen 31 stimmt mit der Winkelausrichtung der beiden Ausgleichsgewicht 13 überein, wie insbesondere aus 1b ersichtlich ist.
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Die beiden Ausnehmungen 31 an der Ausgleichswelle 11 bewirken insbesondere eine Verringerung der radialen Steifigkeit des Lagerlängsabschnitts 25, d. h. des hierdurch gebildeten Lagerinnenrings des Wälzlagers 19. Mit anderen Worten bewirken die Ausnehmungen 31 eine höhere radiale elastische Verformbarkeit des Lagerlängsabschnitts 25. Die Unwucht der Ausgleichsgewichte 13 verursacht an der Ausgleichswelle 11 eine Radiallast, die sich bezüglich des Wälzlagers 19 stets auf einen begrenzen Umfangswinkelbereich – die so genannte Lastzone – konzentriert, wodurch zwischen den Wälzkörpern 21 und dem Lagerlängsabschnitt 25 der Ausgleichswelle 11 hohe Punktbelastungen entstehen. Aufgrund der mittels der Ausnehmungen 31 bewirkten höheren radialen Verformbarkeit des Lagerlängsabschnitts 25 wird die Radiallast der Ausgleichswelle 11 letztlich auf einen größeren Umfangswinkelbereich verteilt, d. h. die Lastzone ist größer als ohne Ausnehmungen 31, und dementsprechend verringern sich die an den einzelnen Wälzkörpern 21 auftretenden Punktbelastungen.
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Die in den 2a bis 2c gezeigte Ausführungsform besitzt einen sehr ähnlichen Aufbau wie jene gemäß 1a und 1b. Allerdings ist hier an den beiden axialen Enden des Lagerlängsabschnitts 25 eine jeweilige Anordnung von mehreren radialen Bohrungen 31' vorgesehen, die beabstandet voneinander entlang der Umfangsrichtung der Ausgleichswelle 11 verteilt sind. Die Bohrungen 31' bilden hier also eine jeweilige Ausnehmung, welche die Wandung der hohlen Ausgleichswelle 11 vollständig durchquert. Wie aus 2c ersichtlich ist, erstreckt sich die jeweilige Anordnung von mehreren Bohrungen 31 über einen etwas größeren Umfangswinkelbereich als die schlitzförmigen Ausnehmungen 31 gemäß 1a und 1b. Auch die Bohrungen 31 gemäß 2a bis 2c bewirken eine Verringerung der Steifigkeit des Lagerlängsabschnitts 25 der Ausgleichswelle 11.
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In den 3a bis 3c sind das Gehäuse und die Wälzlager der Massenausgleichseinheit nicht gezeigt. Im Übrigen besitzt bei dieser Ausführungsform die Ausgleichswelle 11 wiederum einen sehr ähnlichen Aufbau wie bei der Ausführungsform gemäß 1a und 1b. Insbesondere besitzen die Ausnehmungen 31'' gemäß 3a bis 3c ebenfalls eine Schlitzform. Allerdings bilden die Ausnehmungen 31'' keine durchgehende Öffnung in der Wandung der Ausgleichswelle 11, sondern lediglich eine Vertiefung an der Oberfläche der Ausgleichswelle 11. Mit anderen Worten wird beim Einbringen der schlitzförmigen Ausnehmungen 31'' ein dünner Wandabschnitt der Ausgleichswelle 11 stehengelassen, wie insbesondere aus der Querschnittsansicht gemäß 3b ersichtlich ist. Hierdurch wird immer noch eine gewisse Erhöhung der elastischen Verformbarkeit des Lagerlängsabschnitts 25 erreicht, wobei die hohle Ausgleichswelle 11 jedoch weniger stark bezüglich einer Biegebelastung oder Torsionsbelastung geschwächt wird.
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4a und 4b illustrieren die bei einem herkömmlichen Wälzlager auftretenden Punktbelastungen. 4a zeigt ein Wälzlager im unbelasteten Zustand. Die Ausgleichswelle 11 (hier schematisch als Vollwelle gezeigt) ist mit radialem Spiel konzentrisch zu dem Lageraußenring 23 und der Anordnung der Wälzkörper 21 angeordnet.
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Sofern jedoch an der rotierenden Ausgleichswelle 11 eine Unwucht wirksam ist, macht sich diese als eine Radiallast 41 bemerkbar, und entsprechend dieser Radiallast 41 ist die Ausgleichswelle 11 bezüglich des Lageraußenrings 23 geringfügig exzentrisch angeordnet, wie in 4b gezeigt ist. Der radiale Kraftschluss zwischen der Ausgleichswelle 11 und dem Lageraußenring 23 konzentriert sich auf einen begrenzten Umfangswinkelbereich, nämlich auf die Lastzone 43, welche gemeinsam mit der Ausgleichswelle 11 rotiert. Dies bedeutet, dass lediglich die im Bereich der Lastzone 43 befindlichen Wälzkörper 21 die Radiallast 41 aufnehmen, so dass an diesen Wälzkörpern 21 vergleichsweise hohe Punktbelastungen auftreten (bzw. Linienbelastungen, bezogen auf die Längserstreckung der Ausgleichswelle 11 entlang der Drehachse A). Die entsprechenden mechanischen Druckspannungsverteilungen sind in 4b mit dem Bezugszeichen 45 illustriert.
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Durch die Verringerung der Steifigkeit des jeweiligen Lagerlängsabschnitts 25 der Ausgleichswelle 11 mittels der benachbart hierzu vorgesehenen Ausnehmungen 31, 31', 31'' gemäß den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen wird die Lastzone 43 in Umfangsrichtung vergrößert. Hierdurch kann sich die Radiallast 41 also auf einen größeren Umfangswinkelbereich und dementsprechend auf eine größere Anzahl von Wälzkörpern 21 verteilen als in 4b dargestellt. Die Punktbelastung zwischen der Ausgleichswelle 11 und dem einzelnen Wälzkörper 21 ist somit verringert.
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Selbstverständlich sind Abwandlungen von den gezeigten Ausführungsbeispielen möglich. Beispielsweise können die gezeigten Ausnehmungen 31, 31', 31'' in axialer Richtung noch näher zu den Wälzkörpern 21 angeordnet oder jedoch auch von diesen weiter beabstandet sein, als dies in den 1a bis 3c gezeigt ist. Es ist auch möglich, dass lediglich an einem Ende eines Lagerlängsabschnitts 25 eine oder mehrere Ausnehmungen 31, 31', 31'' vorgesehen ist bzw. sind. Beispielsweise kann auch für das Wälzlager 27 gemäß 1a an der dem benachbarten Ausgleichsgewicht 13 zugewandten Seite eine entsprechende Ausnehmung 31 vorgesehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Ausgleichswelle
- 13
- Ausgleichsgewicht
- 15
- Antriebsrad
- 17
- Gehäuse
- 19
- Wälzlager
- 21
- Wälzkörper
- 23
- Lageraußenring
- 25
- Lagerlängsabschnitt
- 27
- Wälzlager
- 29
- Wälzlager
- 31, 31, 31''
- Ausnehmung
- 41
- Radiallast
- 43
- Lastzone
- 45
- Druckspannungsverteilung
- A
- Drehachse