DE102015104771A1

DE102015104771A1 - Vorrichtung zum Massenausgleich für eine Hubkolbenmaschine

Info

Publication number: DE102015104771A1
Application number: DE102015104771.3A
Authority: DE
Inventors: Jörg Nickl
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2016-09-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (5) zum Massenausgleich für ein Schubkurbeltriebwerk (2) einer Hubkolbenmaschine (1). Das Schubkurbeltriebwerk (2) weist mindestens eine Kurbelwelle (6) und einen mit der Kurbelwelle (6) verbundenen Pleuel (4) auf, welcher mit einem ersten Ende entlang einer Zylinderachse (7) beweglich und mit einem zweiten Ende an einem Kurbelzapfen (17) der Kurbelwelle (6) angeordnet ist. Die Vorrichtung (5) ist mit Ausgleichsmassen (8, 10a, 10b) zum Ausgleich von von der Kurbelwelle (6) und von mit der Kurbelwelle (6) verbundenen Komponenten erzeugten oszillierenden Massenkräften (FI) erster Ordnung und rotierenden Massenkräfte (FR) ausgebildet. Die Ausgleichsmassen (8, 10a, 10b) sind dabei derart angeordnet, dass die von den oszillierenden Massen erzeugten Massenkräfte erster Ordnung (FI) und die von rotierenden Massen erzeugten rotierenden Massenkräfte (FR) durch eine an der Kurbelwelle (6) angeordnete Ausgleichsmasse (8), welche um eine Kurbelwellenachse (11) drehbar gelagert ist, und durch zwei beiderseits der Kurbelwelle (6) angeordnete Ausgleichsmassen (10a, 10b) ausgeglichen werden, wobei die beiderseits der Kurbelwelle (6) angeordneten Ausgleichsmassen (10a, 10b) jeweils mit einer Ausgleichswelle (9a, 9b) verbunden, um eine Achse der Ausgleichswelle (9a, 9b) drehbar gelagert ausgebildet sind. Die Ausgleichswellen (9a, 9b) werden in einer gleichen Drehrichtung (15) und entgegengesetzt zu einer Drehrichtung (14) der Kurbelwelle (6) angetrieben. Der Pleuel (4) ist in einer Pleuelbewegungsebene (E3) beweglich gelagert und die Ausgleichsmassen (8, 10a, 10b) sind innerhalb der Pleuelbewegungsebene (E3) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Massenausgleich für ein Schubkurbeltriebwerk einer Hubkolbenmaschine. Das Schubkurbeltriebwerk weist mindestens eine Kurbelwelle und einen mit der Kurbelwelle verbundenen Pleuel auf. Der Pleuel ist mit einem ersten Ende entlang einer Zylinderachse beweglich und mit einem zweiten Ende an einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle angeordnet. Die Vorrichtung ist mit Ausgleichsmassen zum Ausgleich von von der Kurbelwelle und von mit der Kurbelwelle verbundenen Komponenten erzeugten oszillierenden und rotierenden Massenkräften ausgebildet.
Bei Hubkolbenmaschinen, insbesondere bei Motoren, Expansionsmaschinen oder Verdichtern, wird zur Übertragung von Arbeit die oszillierende, lineare Bewegung eines Kolbens über einen Pleuel beziehungsweise eine Pleuelstange und eine Kurbel in eine Drehbewegung umgewandelt oder umgekehrt. Infolge der oszillierenden, linearen Hubbewegung des Kolbens und der Bewegung des Pleuels sowie infolge des ungleichförmigen Übertragungsverhaltens des Kurbeltriebwerks treten Massenkräfte auf, welche in Lagern abgestützt werden und die Hubkolbenmaschine in Schwingungen versetzt. Die rotierenden und oszillierenden Massen der Hubkolbenmaschine bewirken periodisch ändernde Kräfte, welche auszugleichen sind.
Die während des Betriebes einer Hubkolbenmaschine am Kurbeltriebwerk auftretenden Trägheitskräfte werden mit Hilfe von besonders ausgebildeten und besonders angeordneten Komponenten ausgeglichen, um nicht als freie Massenkräfte oder Massenmomente zu wirken und unerwünschte Schwingungen oder Erschütterungen zu erzeugen. Die Trägheitskräfte werden insbesondere durch umlaufende und rotierende Maschinenelemente, wie Elemente der Kurbelwelle und den rotierenden Anteil der Pleuelstange, sowie hin- und herbewegte und damit oszillierende Maschinenelemente, wie dem Kolben, einem Kreuzkopf, einer Kolbenstange und dem oszillierenden Anteil der Pleuelstange, bewirkt.
Unter dem Massenausgleich ist der vollständige oder teilweise Ausgleich von Massenkräften und Massenmomenten beim Betrieb des Kurbeltriebwerks zu verstehen. Bei einem vollständigen Massenausgleich treten keine freien Massenkräfte und Massenmomente nach außen auf. Ein teilweiser Massenausgleich wird bekanntlich mit Hilfe von an der Kurbelwelle angeordneten Gegengewichten erreicht.
In der DE 31 02 154 A1 wird eine Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle, einer Pleuelstange und einem Kolben, sowie mit einer Gegengewicht-Anordnung zum Ausgleich der aus rotierenden Massen resultierenden Massenkräfte und aus oszillierenden Massen der Maschinenelemente resultierenden Massenkräfte erster Ordnung offenbart. Dabei sind unmittelbar oder mittelbar mit der Kurbelwelle verbundene Ausgleichsgewichte ausgebildet, welche die neben der zum Ausgleich der rotierenden Massenkräfte erforderliche Unwuchtmasse zusätzlich die Hälfte der zum Ausgleich der oszillierenden Massenkräfte erster Ordnung erforderliche Unwuchtmasse aufweisen. Zwei von der Kurbelwelle angetriebene und parallel zur Kurbelwelle ausgerichtete Ausgleichswellen laufen im gleichem Drehsinn zueinander und im Gegensinn zur Kurbelwelle, wobei auf jeder Ausgleichswelle ein Ausgleichsgewicht angeordnet ist, welches ein Viertel der zum Ausgleich der oszillierenden Massenkräfte erster Ordnung erforderlichen Unwuchtmasse darstellt. Die Ausgleichsgewichte weisen gleiche Massen und gleiche symmetrische Formen auf.
Aus der DE 39 13 741 A1 geht eine Einrichtung zum Massenausgleich der oszillierenden Massenkräfte erster Ordnung von mit der Kurbelwelle gekoppelten Maschinenelementen hervor. Dabei werden eine erste Hälfte der Massenkräfte durch ein an der Kurbelwelle angreifendes Gegengewicht und eine zweite Hälfte der Massenkräfte durch zwei Unwuchten ausgeglichen, welche beiderseits der Kurbelwelle gelagert sind und untereinander in gleichem Drehsinn und zur Kurbelwelle in entgegengesetztem Drehsinn angetrieben werden. Die zwei Unwuchten weisen gleiche Massen und unsymmetrische Formen auf.
Die mit der Kurbelwelle verbundenen Ausgleichsgewichte der DE 31 02 154 A1 sowie das Gegengewicht der Einrichtung zum Massenausgleich nach der DE 31 02 154 A1 sind jeweils in einem Abstand zur Pleuelbewegungsebene an der Kurbelwelle angeordnet, wobei der Abstand zur Pleuelbewegungsebene einem Hebelarm entspricht. Die Pleuelbewegungsebene entspricht dabei der durch die Zylinderachse und senkrecht zur Kurbelwellenachse sowie zur Zylinderachse aufgespannten Ebene. Die zwei jeweils mit der Ausgleichswelle gekoppelten Ausgleichsgewichte oder Unwuchten sind im gleichen Abstand sowie parallel zur Kurbelwelle gelagert, weisen gleiche Massen auf und sind in einem Abstand zur durch die Kurbelwellenachse und die Zylinderachse aufgespannten Ebene angeordnet. Dabei sind die Ausgleichsgewichte oder Unwuchten in einem Abstand einerseits der Pleuelbewegungsebene und das Gegengewicht andererseits der Pleuelbewegungsebene angeordnet.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen wirken aufgrund der Anordnung der mit den Ausgleichswellen verbundenen Ausgleichsgewichte oder Unwuchten im Abstand zur Pleuelbewegungsebene einerseits sowie des Gegengewichts im Abstand zur Pleuelbewegungsebene andererseits freie Massenkräfte beziehungsweise Massenmomente auf die Maschine, insbesondere das Maschinenfundament, und verursachen unerwünschte Schwingungen sowie Erschütterungen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung zum Ausgleich der Massenkräfte erster Ordnung einer Hubkolbenmaschine, welche ein vollständiges Aufheben unerwünschter Wirkungen, wie Schwingungen und Erschütterungen, aus diesen Massenkräften gewährleistet. Die Vorrichtung soll zudem einfach konstruiert einen kompakten Aufbau aus einem Minimum an Komponenten aufweisen und damit die Herstellungskosten sowie den Aufwand für die Montage und die Wartung minimieren.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand mit den Merkmalen des selbstständigen Patentanspruchs gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausgleich der Massenkräfte erster Ordnung für ein Schubkurbeltriebwerk einer Hubkolbenmaschine gelöst. Das Schubkurbeltriebwerk weist mindestens eine Kurbelwelle und einen mit der Kurbelwelle verbundenen Pleuel auf, welcher mit einem ersten Ende entlang einer Zylinderachse beweglich und mit einem zweiten Ende an einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle angeordnet ist. Die Vorrichtung ist mit Ausgleichsmassen zum Ausgleich von von der Kurbelwelle und von mit der Kurbelwelle verbundenen Komponenten erzeugten oszillierenden Massenkräften erster Ordnung und rotierenden Massenkräften ausgebildet.
Nach der Konzeption der Erfindung sind die Ausgleichsmassen der Vorrichtung derart angeordnet, dass die von den oszillierenden Massen erzeugten Massenkräfte erster Ordnung und die von rotierenden Massen erzeugten rotierenden Massenkräfte durch eine an der Kurbelwelle angeordnete Ausgleichsmasse und durch zwei Ausgleichsmassen ausgeglichen werden, welche beiderseits der Kurbelwelle angeordnet sind. Die an der Kurbelwelle angeordnete Ausgleichsmasse ist um eine Kurbelwellenachse drehbar gelagert. Die zwei beiderseits der Kurbelwelle angeordneten Ausgleichsmassen sind jeweils mit einer Ausgleichswelle verbunden und um eine Achse der Ausgleichswelle drehbar gelagert ausgebildet. Die Ausgleichswellen werden dabei in einer gleichen Drehrichtung zueinander und entgegengesetzt zu einer Drehrichtung der Kurbelwelle angetrieben. Der Pleuel ist in einer Pleuelbewegungsebene beweglich gelagert. Die Ausgleichsmassen sind erfindungsgemäß mit entsprechender Geometrie innerhalb der Pleuelbewegungsebene angeordnet. Dabei sind die Ausgleichsmassen derart gelagert, dass insbesondere die Schwerpunkte der Ausgleichsmassen in der Pleuelbewegungsebene liegen.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die an der Kurbelwelle ausgebildete Ausgleichsmasse in Bezug zur Kurbelwellenachse dem Kurbelzapfen gegenüberliegend derart angeordnet, die von den rotierenden Massen erzeugten rotierenden Massenkräfte und eine erste Hälfte der von den oszillierenden Massen erzeugten Massenkräfte erster Ordnung auszugleichen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die an den Ausgleichswellen ausgebildeten Ausgleichsmassen derart angeordnet, jeweils ein Viertel der von den oszillierenden Massen erzeugten Massenkräfte erster Ordnung auszugleichen, sodass die an den Ausgleichswellen ausgebildeten Ausgleichsmassen in Summe eine zweite Hälfte der von den oszillierenden Massen erzeugten Massenkräfte erster Ordnung ausgleichen. Die Ausgleichsmassen der Ausgleichswellen weisen dabei vorteilhaft gleiche Massen sowie Schwerpunktsradien und gleiche symmetrische Formen auf.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Ausgleichsmassen der Vorrichtung derart angeordnet, bei den Anordnungen in der Deckeltotlage sowie in der Kurbeltotlage des Pleuels jeweils den gleichen Richtungssinn aufzuweisen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die beiderseits der Kurbelwelle angeordneten Ausgleichswellen jeweils in einem gleichen Abstand zu einer durch die Zylinderachse und die Kurbelwellenachse aufgespannten Ebene gelagert angeordnet sind.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Ausgleichswellen über Zahnräder direkt mit der Kurbelwelle verbunden und von der Kurbelwelle angetrieben angeordnet. Dabei steht ein mit der Kurbelwelle verbunden ausgebildetes Hauptzahnrad jeweils mit einem mit einer Ausgleichswelle verbunden ausgebildeten Nebenzahnrad im direkten Eingriff.
Die Vorrichtung ist vorteilhaft mit einem Kolbenschieber für den Einlass zu den Arbeitsräumen der Hubkolbenmaschine ausgebildet. Der Kolbenschieber ist dabei von der Drehbewegung der Kurbelwelle angetrieben angeordnet. Zum Ausgleich von durch eine lineare Hin- und Herbewegung des Kolbenschiebers verursachter oszillierender Massenkräfte erster Ordnung sowie von einer Bewegung von mit der Kurbelwelle verbundener Komponenten, insbesondere eines Schieberpleuels und eines Exzenters, verursachter rotierender Massenkräfte ist die Vorrichtung bevorzugt mit rotatorischen Ausgleichsmassen, insbesondere Masseanhäufungen oder Bohrungen als Massereduzierungen, versehen. Die Ausgleichsmassen sind dabei an den Zahnrädern ausgebildet.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Kurbelwellenachse und die Achsen der Ausgleichswellen parallel zueinander und in einer durch die Kurbelwellenachse und senkrecht zur Kurbelwellenachse sowie zur Zylinderachse aufgespannten Ebene ausgerichtet.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die an der Kurbelwelle angeordnete Ausgleichsmasse zwei parallel zueinander und zur Pleuelbewegungsebene ausgerichtete Elemente aufweist. Die Elemente der Ausgleichsmasse sind symmetrisch zur Pleuelbewegungsebene ausgebildet und jeweils in einem gleichen Abstand zur Pleuelbewegungsebene angeordnet, sodass der Schwerpunkt der an der Kurbelwelle angeordneten Ausgleichsmasse innerhalb der Pleuelbewegungsebene liegt. Somit gleicht jede Ausgleichsmasse ein Viertel der von den oszillierenden Massen erzeugten Massenkräfte erster Ordnung aus.
Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die Verwendung der Vorrichtung zum Massenausgleich für ein Schubkurbeltriebwerk einer Hubkolbenmaschine bei einer Einzylindermaschine oder einer Reihenmaschine. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Massenausgleich weist zusammenfassend diverse Vorteile auf:

– keine freien oszillierenden Massenkräfte erster Ordnung beziehungsweise rotierenden Massenkräfte und/oder Massenmomente und damit
– überwiegender Massenausgleich und Aufheben unerwünschter Wirkungen, wie Schwingungen und Erschütterungen, der Hubkolbenmaschine,
– einfache Konstruktion aus einem Minimum an Komponenten sowie
– einfache Montage.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1: Schubkurbeltriebwerk einer Hubkolbenmaschine mit einem Pleuel und einer Kurbelwelle sowie einer Vorrichtung zum Massenausgleich in symmetrischer Lage in Seitenansicht,
2a, 2b: Schubkurbeltriebwerk der Hubkolbenmaschine mit Pleuel und Kurbelwelle sowie der Vorrichtung zum Massenausgleich in ausgelenkter Lage in Seitenansicht und in Draufsicht,
3: Schematische Darstellung der Vorrichtung zum Massenausgleich mit Andeutung der Ausgleichsmassen und Kräfte in ausgelenkter Lage,
4: Anordnung der Zahnräder der Vorrichtung zum Massenausgleich in symmetrischer Lage und
5: Hubkolbenmaschine mit der Vorrichtung zum Massenausgleich.
In 1 ist ein Schubkurbeltriebwerk 2 einer Hubkolbenmaschine 1 mit einem Pleuel 4 und einer Kurbelwelle 6 sowie einer Vorrichtung 5 zum Massenausgleich in symmetrischer Lage in Seitenansicht dargestellt. Der Pleuel 4 ist in der Deckeltotlage, auch als oberer Umkehrpunkt oder oberer Totpunkt bezeichnet, angeordnet. Im Vergleich dazu zeigen 2a das Schubkurbeltriebwerk 2 mit dem Pleuel 4 und der Kurbelwelle 6 sowie der Vorrichtung 5 zum Massenausgleich in ausgelenkter Lage in Seitenansicht und 2b in Draufsicht.
Der Pleuel 4 ist an einem ersten Ende mittels eines Kreuzkopfs 3 mit einer Kolbenstange mechanisch verbunden. Am zum ersten Ende distalen zweiten Ende ist der Pleuel 4 mit der Kurbelwelle 6, insbesondere mit dem Kurbelzapfen 17 der Kurbelwelle 6, gekoppelt, sodass der Pleuel 4 in Kombination mit dem Kreuzkopf 3 und der Kolbenstange eine Verbindung des Kolbens mit der Kurbelwelle 6 herstellt. Mittels des Pleuels 4 und der Kurbelwelle 6 werden lineare, Hin- und Herbewegungen von Kolben beziehungsweise Kreuzkopf 3, auch als oszillierende Bewegung bezeichnet, in eine Drehbewegung der Kurbelwelle 6 oder umgekehrt die Rotationsbewegung der Kurbelwelle 6 in eine oszillierende Bewegung des Kolbens umgesetzt. Der Kolben beziehungsweise der Kreuzkopf 3 werden in Richtung der Zylinderachse 7 oszillierend bewegt. Der Pleuel 4 weist zur Lagepositionierung am Hublager, das heißt im Bereich des zweiten Endes als Verbindung mit der Kurbelwelle 6, zwei gleiche Ansatzhülsen auf, wobei jeweils ein zu einer Schraube gehöriger Dehnbereich ausgebildet ist. Diese Ausbildung des Hublagers wirkt sich vorteilhaft bei dynamischen Beanspruchungen der Schraube aus.
Neben den paarweise an der Kurbelwelle 6 angeordneten Elementen 8a, 8b, welche gleiche Größen und Schwerpunktsradien aufweisen, in Kombination eine Ausgleichsmasse 8 darstellen und gegenüberliegend zum Kurbelzapfen 17 angeordnet sind, weist die Vorrichtung 5 zum Massenausgleich eine erste Ausgleichswelle 9a mit einer Ausgleichsmasse 10a sowie eine zweite Ausgleichswelle 9b mit einer Ausgleichsmasse 10b auf. Die beiden Ausgleichswellen 9a, 9b sind jeweils an einer Seite in einem gleichen Abstand g zur durch die Zylinderachse 7 und die Kurbelwellenachse 11 aufgespannten Ebene E1 gelagert. Die Kurbelwellenachse 11 und die Achsen der Ausgleichswellen 9a, 9b sind parallel zueinander ausgerichtet und verlaufen in einer durch die Kurbelwellenachse 11 und senkrecht zur Kurbelwellenachse 11 sowie zur Zylinderachse 7 aufgespannten Ebene E2.
Die beiden von der Kurbelwelle 6 über Zahnräder 12, 13a, 13b angetriebenen Ausgleichswellen 9a, 9b und die mit Ausgleichswellen 9a, 9b gekoppelten Ausgleichsmassen 10a, 10b rotieren in der gleichen Drehrichtung 15, das heißt im gleichen Drehsinn, zueinander und entgegengesetzt zur Drehrichtung 14 der Kurbelwelle 6, das heißt im entgegengesetzten Drehsinn zur Kurbelwelle 6 sowie zu den Elementen 8a, 8b der Ausgleichsmasse 8 der Kurbelwelle 6. Dabei steht das Hauptzahnrad 12 der Kurbelwelle 6 jeweils mit einem Nebenzahnrad 13a, 13b der ersten Ausgleichswelle 9a beziehungsweise der zweiten Ausgleichswelle 9b im direkten Eingriff.
Die Gesamtmasse der Elemente 8a, 8b der Ausgleichsmasse 8 sowie der Ausgleichsmassen 10a, 10b ist derart verteilt, dass die von den rotierenden Massen erzeugten rotierenden Massenkräfte und eine erste Hälfte der von den oszillierenden Massen erzeugten Massenkräfte erster Ordnung durch die an der Kurbelwelle 6 angeordneten Elemente 8a, 8b und die zweite Hälfte der von den oszillierenden Massen erzeugten Massenkräfte erster Ordnung durch die Ausgleichsmassen 10a, 10b der Ausgleichswellen 9a, 9b ausgeglichen werden. Die Ausgleichsmassen 10a, 10b der Ausgleichswellen 9a, 9b weisen dabei gleiche Werte der Massen und der Schwerpunktsradien sowie gleiche symmetrische Formen auf, wobei die Ausgleichsmassen 10a, 10b der Ausgleichswellen 9a, 9b und die Elemente 8a, 8b der Ausgleichsmasse 8 der Kurbelwelle 6 jeweils ein Viertel des für den Ausgleich der von den oszillierenden Massen erzeugten Massenkräfte erster Ordnung wirksamen Masseanteils darstellen. Die Elemente 8a, 8b der Ausgleichsmasse 8 der Kurbelwelle 6 stellen zudem jeweils die Hälfte des für den Ausgleich der von den rotierenden Massen erzeugten rotierenden Massenkräfte wirksamen Masseanteils dar.
Die Elemente 8a, 8b der Ausgleichsmasse 8 und die Ausgleichsmassen 10a, 10b weisen bei den Anordnungen in der Deckeltotlage sowie in der Kurbeltotlage, auch als unterer Umkehrpunkt oder unterer Totpunkt bezeichnet, jeweils den gleichen Richtungssinn auf.
Die Elemente 8a, 8b der Ausgleichsmasse 8 der Kurbelwelle 6 sind mit einem sich in Richtung der Pleuelbewegungsebene E3 erstreckenden Zwischenraum 16 zueiander angeordnet. Der Zwischenraum 16 wird in Richtung der Kurbelwellenachse 11 durch die zwei parallel zueinander und zur Ebene E3 angeordnete Elemente 8a, 8b der Ausgleichsmasse 8 begrenzt. Die Breite des Zwischenraumes 16 ist konstant und derart konfiguriert, dass die scheibenförmig mit konstanter Dicke ausgebildeten Ausgleichsmassen 10a, 10b der Ausgleichswellen 9a, 9b bei der Bewegung der Vorrichtung 5 zum Massenausgleich durch den Zwischenraum 16 zumindest teilweise hindurch bewegt werden. Die Breite des Zwischenraumes 16 entspricht damit der Dicke der scheibenförmigen Ausgleichsmassen 10a, 10b zuzüglich eines Mindestabstands, sodass jeweils zwischen den zueinander ausgerichteten Seiten der Elemente 8a, 8b und den Ausgleichsmassen 10a, 10b ein Spalt zur berührungslosen Bewegung der Vorrichtung 5 möglich ist. Wie insbesondere die 1 und 2a zeigen, kommt es bei der Bewegung der Ausgleichsmassen 8, 10a, 10b innerhalb der Pleuelbewegungsebene E3 zu Hinterschneidungen beziehungsweise Überlagerungen.
Die Elemente 8a, 8b der zweigeteilten Ausgleichsmasse 8 sind jeweils in einem Abstand h von der Pleuelbewegungsebene E3 beabstandet angeordnet. Infolge der zur Pleuelbewegungsebene E3 symmetrisch ausgebildeten und angeordneten Elemente 8a, 8b liegt der Schwerpunkt der Ausgleichsmasse 8 innerhalb der Ebene E3. Da auch die Ausgleichsmassen 10a, 10b der Ausgleichswellen 9a, 9b in der Ebene E3 angeordnet sind, werden bei der Bewegung der gleichlaufenden Ausgleichswellen 9a, 9b keine zusätzlichen Massenmomente erzeugt, welche sich bezüglich des Massenausgleichs des Schubkurbeltriebwerks 2 störend auswirken würden.
3 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung 5 zum Massenausgleich mit Andeutung der Ausgleichsmassen 8, 10a, 10b und den Richtungen der Wirkung der Kräfte F in ausgelenkter Lage.
Die lineare Bewegung des Kreuzkopfs 3 wird über den Pleuel 4 sowie den Kurbelzapfen 17 und die Kurbelwelle 6 in eine Drehbewegung in Drehrichtung 14 oder die Drehbewegung der Kurbelwelle 6 wird mit dem Kurbelzapfen 17 über den Pleuel 4 in eine lineare Bewegung des Kreuzkopfs 3 umgewandelt. Am Kreuzkopf 3 wirkt abhängig von der Hin- und Herbewegung folglich die oszillierende Massenkraft erster Ordnung ±F_I in die jeweilige Richtung der Zylinderachse 7. An dem in Drehrichtung 14 um die Kurbelwellenachse 11 rotierenden Kurbelzapfen 17 wirken die rotierenden Massenkräfte F_R in radialer Richtung nach außen. Die rotierenden Massenkräfte F_R und die oszillierenden Massenkräfte F_I erster Ordnung werden durch die Ausgleichsmassen 8, 10a, 10b ausgeglichen.
Der Massenausgleich des Schubkurbeltriebwerks 2 wird dabei durch die dem Kurbelzapfen 17 der Kurbelwelle 6 gegenüberliegend angeordnete Ausgleichsmasse 8, welche mit der Massenkraft F_A,KW die rotierenden Massenkräfte F_R und die Hälfte der oszillierenden Massenkräfte F_I erster Ordnung ausgleicht, und die Ausgleichsmassen 10a, 10b der Ausgleichswellen 9a, 9b, welche mit den Massenkräften F_A,AW jeweils ein Viertel der oszillierenden Massenkräfte F_I erster Ordnung ausgleichen, erreicht. Die Massenkraft F_A,KW als Ausgleichskraft der Kurbelwelle 6 wirkt entgegengesetzt zur rotierenden Massenkraft F_R in einem Winkel α, wobei der Winkel α die jeweilige Abweichung der Richtung der Massenkraft F_A,KW von der Richtung der Zylinderachse 7 beziehungsweise von der Richtung der oszillierenden Massenkraft ±F_I beschreibt. Die in der gleichen Drehrichtung 15 zueinander und entgegengesetzt zur Drehrichtung 14 der Kurbelwelle 6 rotierenden Ausgleichsmassen 10a, 10b sind an den Ausgleichswellen 9a, 9b derart ausgerichtet angeordnet, dass die resultierenden Massenkräfte F_A,AW jeweils in einem Winkel –α zur Richtung der oszillierenden Massenkraft ±F_I wirken. Die Winkel α und –α weisen folglich gleiche Beträge auf, sind jedoch entgegengesetzt zur Zylinderachse 7 ausgerichtet.
Wie die vektorielle Addition der Massenkräfte F_A, der oszillierenden Massenkräfte ±F_I und der rotierenden Massenkräfte F_R zeigt, wird mit der Vorrichtung 5 ein vollständiger Massenausgleich erster Ordnung erreicht.
Aus 4 geht eine Anordnung der Zahnräder 12, 13a, 13b der Vorrichtung 5 zum Massenausgleich des Schubkurbeltriebwerks 2 in symmetrischer Lage hervor. Das Hauptzahnrad 12 ist auf der Kurbelwellenachse 11 fest mit der Kurbelwelle 6 verbunden, während die Nebenzahnräder 13a, 13b jeweils auf der Achse einer Ausgleichswelle 9a, 9b mit einer Ausgleichswelle 9a, 9b gekoppelt sind. Die Kurbelwellenachse 11 und die Achsen der Ausgleichswellen 9a, 9b sind parallel zueinander ausgerichtet und verlaufen in der gemeinsamen Ebene E2. Die Zahnräder 12, 13a, 13b sind jeweils über Federnuten 18 an der Kurbelwelle 6 beziehungsweise an einer Ausgleichswelle 9a, 9b verdrehsicher befestigt. Das Hauptzahnrad 12 der Kurbelwelle 6 steht jeweils mit einem Nebenzahnrad 13a, 13b im direkten Eingriff, sodass das Hauptzahnrad 12 die Nebenzahnräder 13a, 13b direkt antreibt.
Wie aus 5 hervorgeht, in welcher eine Hubkolbenmaschine 1 mit der Vorrichtung 5 zum Massenausgleich dargestellt ist, wird mit der Drehbewegung der Kurbelwelle 6 auch ein Kolbenschieber 21 für den Einlass 24 zu den Arbeitsräumen am Kolben 26 gesteuert. Die durch die lineare Hin- und Herbewegung des Kolbenschiebers 21 auftretenden oszillierenden Massenkräfte erster Ordnung und die von der Bewegung des Schieberpleuels sowie eines Exzenters verursachten rotierenden Massenkräfte sind ebenfalls auszugleichen. Die Ausgleichskräfte werden dabei mit Hilfe entsprechend angeordneter Masseanhäufungen oder Massereduzierungen und damit der gezielten Ausbildung rotatorischer Ausgleichsmassen an den Zahnrädern 12, 13a, 13b gemäß 4 erreicht. Die Masseanhäufungen oder Massereduzierungen werden beispielsweise durch Bohrungen 19 oder Aussparungen, insbesondere kreisrunde Bohrungen 19 oder nierenförmige Aussparungen, ausgebildet. Dieser einseitig wirkende Massenausgleich verursacht zusätzliche Massenmomente, welche aufgrund der im Vergleich zum Massenausgleich an der Kurbelwelle und den Ausgleichswellen wesentlich geringeren bewegten Massen vernachlässigbar sind.
Zur Erleichterung der Montage der Komponenten der Vorrichtung 5 zum Massenausgleich sind an den Zahnrädern 12, 13a, 13b Markierungen 20 angeordnet, welche in der Ausgangslage alle innerhalb der Ebene E2 liegen. Die Markierungen 20 sind als jeweils zwei Grundbohrungen mit unterschiedlich großen Durchmessern pro Zahnrad 12, 13a, 13b, auch als Sacklöcher bezeichnet, derart ausgebildet, dass innerhalb der Ausgangslage jeweils zwei Grundbohrungen mit gleich großen Durchmessern aneinandergrenzend angeordnet sind.
Die Hubkolbenmaschine 1 weist neben dem Schubkurbeltriebwerk 2 eine Expansionsvorrichtung 22 auf, welche mit mindestens einem Zylinder 23 sowie dem Einlass 24 für ein Arbeitsmedium ausgebildet ist. Die Expansionsvorrichtung 22 weist dabei einen doppeltwirkenden Kolben 26 mit einer Kolbenstange 27, den Kolbenschieber 21 für den Einlass 24 des Arbeitsmediums, einen Auslass 28 am Zylinder 23 sowie als druckbeaufschlagte Überströmventile ausgebildete Zylindersicherheitsventile 25 auf. Der doppeltwirkende Kolben 26 ist aus zwei Kolbenkörpern und einem Zwischenstück als Doppel-T-Kolben ausgebildet. Das Zwischenstück weist etwa den halben Durchmesser der dampfseitigen Kolbenkörper auf. Die dampfseitigen Kolbenkörper sind jeweils mit Kolbenringen zum Abdichten der Arbeitsräume in Kombination mit dem Zylinder 23 versehen.
Der kurbelseitige Kolbenkörper des Kolbens 26 weist einen im Kolbenkörper ausgebildeten Innenkegel auf. Innerhalb des Innenkegels ist eine zum Innenkegel korrespondierende kegelig ausgebildete Kolbenmutter zum Einstellen und Variieren des axialen Kolbenspiels angeordnet. Der Kolben 26 ist am deckelseitigen Kolbenkörper mittels einer Stangenmutter mit der Kolbenstange 27 verspannt. Die Stangendichtungen der Kolbenstange 27 und des kurbelseitigen Kolbenschiebers 21 sind als zweistufige Dichtungen mit Zwischenabsaugung ausgebildet. Der Kolbenschieber 21 weist dabei in dem Bereich der Dichtungen den gleichen Durchmesser wie die Kolbenstange 27 auf. Die als Überströmventile ausgebildeten Zylindersicherheitsventile 25 der Expansionsvorrichtung 22 sind mit den Arbeitsräumen verbunden. Die mit dem Eintrittsdruck des Arbeitsmediums in die Expansionsvorrichtung 22 druckbeaufschlagten Zylindersicherheitsventile 25 sind derart konfiguriert, dass beim Überschreiten eines bestimmten Druckes innerhalb des Arbeitsraums eine Verbindung zum Auslass 28 der Expansionsvorrichtung 22 geöffnet wird.
Bezugszeichenliste

1: Hubkolbenmaschine
2: Schubkurbeltriebwerk
3: Kreuzkopf
4: Pleuel
5: Vorrichtung zum Massenausgleich
6: Kurbelwelle
7: Zylinderachse
8: Ausgleichsmasse Kurbelwelle 6
8a: erstes Element Ausgleichsmasse 8
8b: zweites Element Ausgleichsmasse 8
9a: erste Ausgleichswelle
9b: zweite Ausgleichswelle
10a: Ausgleichsmasse erste Ausgleichswelle 9a
10b: Ausgleichsmasse zweite Ausgleichswelle 9b
11: Kurbelwellenachse
12: Zahnrad, Hauptzahnrad Kurbelwelle 6
13a: Zahnrad, Nebenzahnrad erste Ausgleichswelle 9a
13b: Zahnrad, Nebenzahnrad zweite Ausgleichswelle 9b
14: Drehrichtung Kurbelwelle 6
15: Drehrichtung Ausgleichswelle 9a, 9b
16: Zwischenraum
17: Kurbelzapfen
18: Federnut
19: Bohrung
20: Markierung
21: Kolbenschieber
22: Expansionsvorrichtung
23: Zylinder
24: Einlass
25: Zylindersicherheitsventil
26: Kolben
27: Kolbenstange
28: Auslass
E1, E2: Ebene
E3: Ebene, Pleuelbewegungsebene
α: Drehwinkel Kurbelwelle 6
g: Abstand
h: Abstand
F: Massenkraft
A: Ausgleich Massenkräfte
AW: Ausgleichswelle
KW: Kurbelwelle
R: rotierend
I: oszillierend

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3102154 A1 [0005, 0007, 0007]
DE 3913741 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung (5) zum Massenausgleich für ein Schubkurbeltriebwerk (2) einer Hubkolbenmaschine (1), wobei das Schubkurbeltriebwerk (2) mindestens eine Kurbelwelle (6) und einen mit der Kurbelwelle (6) verbundenen Pleuel (4), welcher mit einem ersten Ende entlang einer Zylinderachse (7) beweglich und mit einem zweiten Ende an einem Kurbelzapfen (17) der Kurbelwelle (6) angeordnet ist, und die Vorrichtung (5) Ausgleichsmassen (8, 10a, 10b) zum Ausgleich von von der Kurbelwelle (6) und von mit der Kurbelwelle (6) verbundenen Komponenten erzeugten oszillierenden Massenkräften erster Ordnung (F_I) und rotierenden Massenkräften (F_R) aufweist, wobei – die Ausgleichsmassen (8, 10a, 10b) derart angeordnet sind, dass die von den oszillierenden Massen erzeugten Massenkräfte erster Ordnung (F_I) und die von rotierenden Massen erzeugten rotierenden Massenkräfte (F_R) durch eine an der Kurbelwelle (6) angeordnete Ausgleichsmasse (8), welche um eine Kurbelwellenachse (11) drehbar gelagert ist, und durch zwei beiderseits der Kurbelwelle (6) angeordnete Ausgleichsmassen (10a, 10b) ausgeglichen werden, wobei die Ausgleichsmassen (10a, 10b) jeweils mit einer Ausgleichswelle (9a, 9b) verbunden, um eine Achse der Ausgleichswelle (9a, 9b) drehbar gelagert ausgebildet sind, wobei die Ausgleichswellen (9a, 9b) in einer gleichen Drehrichtung (15) und entgegengesetzt zu einer Drehrichtung (14) der Kurbelwelle (6) angetrieben werden, sowie – der Pleuel (4) in einer Pleuelbewegungsebene (E3) beweglich gelagert ist und die Ausgleichsmassen (8, 10a, 10b) innerhalb der Pleuelbewegungsebene (E3) angeordnet sind.
Vorrichtung (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsmasse (8) in Bezug zur Kurbelwellenachse (11) dem Kurbelzapfen (17) gegenüberliegend derart angeordnet ist, die von den rotierenden Massen erzeugten rotierenden Massenkräfte (F_R) und eine erste Hälfte der von den oszillierenden Massen erzeugten Massenkräfte (F_I) erster Ordnung auszugleichen.
Vorrichtung (5) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Ausgleichswellen (9a, 9b) angeordneten Ausgleichsmassen (10a, 10b) derart angeordnet sind, jeweils ein Viertel der von den oszillierenden Massen erzeugten Massenkräfte (F_I) erster Ordnung auszugleichen, sodass die Ausgleichsmassen (10a, 10b) zusammen eine zweite Hälfte der von den oszillierenden Massen erzeugten Massenkräfte (F_I) erster Ordnung ausgleichen.
Vorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsmassen (8, 10a, 10b) derart angeordnet sind, bei den Anordnungen in der Deckeltotlage sowie in der Kolbenotlage des Pleuels (4) jeweils den gleichen Richtungssinn aufzuweisen.
Vorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiderseits der Kurbelwelle (6) angeordneten Ausgleichswellen (9a, 9b) jeweils in einem gleichen Abstand (g) zu einer durch die Zylinderachse (7) und die Kurbelwellenachse (11) aufgespannten Ebene (E1) gelagert angeordnet sind.
Vorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichswellen (9a, 9b) über Zahnräder (12, 13a, 13b) direkt mit der Kurbelwelle (6) verbunden und von der Kurbelwelle (6) angetrieben angeordnet sind, wobei ein mit der Kurbelwelle (6) verbunden ausgebildetes Hauptzahnrad (12) jeweils mit einem mit einer Ausgleichswelle (9a, 9b) verbunden ausgebildeten Nebenzahnrad (13a, 13b) im direkten Eingriff steht.
Vorrichtung (5) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolbenschieber (21) zum Öffnen und Verschließen von Arbeitsräumen der Hubkolbenmaschine (1) ausgebildet ist, wobei der Kolbenschieber (21) von der Drehbewegung der Kurbelwelle (6) angetrieben angeordnet ist und zum Ausgleich von durch eine lineare Hin- und Herbewegung des Kolbenschiebers (21) verursachter oszillierender Massenkräfte erster Ordnung sowie von einer Bewegung von mit der Kurbelwelle (6) verbundener Komponenten, insbesondere eines Schieberpleuels und eines Exzenters, verursachter rotierender Massenkräfte mit rotatorischen Ausgleichsmassen, insbesondere Masseanhäufungen oder Bohrungen (19) als Massereduzierungen, ausgebildet ist, wobei die Ausgleichsmassen an den Zahnrädern (12, 13a, 13b) ausgebildet sind.
Vorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwellenachse (11) und die Achsen der Ausgleichswellen (9a, 9b) parallel zueinander und in einer durch die Kurbelwellenachse (11) und senkrecht zur Kurbelwellenachse (11) sowie zur Zylinderachse (7) aufgespannten Ebene (E2) ausgerichtet sind.
Vorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Kurbelwelle (6) angeordnete Ausgleichsmasse (8) aus zwei parallel zueinander und zur Pleuelbewegungsebene (E3) ausgerichteten Elementen (8a, 8b) ausgebildet ist, wobei die Elemente (8a, 8b) zur Pleuelbewegungsebene (E3) symmetrisch ausgebildet und jeweils in einem gleichen Abstand (h) zur Pleuelbewegungsebene (E3) angeordnet sind, sodass der Schwerpunkt der Ausgleichsmasse (8) innerhalb der Pleuelbewegungsebene (E3) liegt.
Verwendung einer Vorrichtung (5) zum Massenausgleich für ein Schubkurbeltriebwerk (2) einer Hubkolbenmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 bei einer Einzylindermaschine oder einer Reihenmaschine.