DE2522591A1 - Maschinenkurbelwelle mit verbessertem dynamischem auswuchtgrad - Google Patents

Maschinenkurbelwelle mit verbessertem dynamischem auswuchtgrad

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Description

SOCIETE D1ETUDES DE MACHINES THERMIQUES S.E.M.T., 2, Quai de Seine, 93202 SAINT DENIS, Frankreich.
Maschinenkurbelwelle mit verbessertem dynamischem Auswuchtgrad.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine drehbare Kurbelwelle mit mehreren gekröpften Kurbeln und mit Auswuchtgewichten oder -massen für eine Maschine mit hin- und hergehenden Kolben, bei der jeder Kurbelzapfen an einem einzigen Pleuelkopf oder an zwei Pleuelköpfen, die nebeneinander auf demselben Zapfen liegen, der einen Drehzapfen des Kurbelzapfens bildet, angekuppelt oder angelenkt ist. Die Erfindung ist insbesondere auf Kurbelwellen von Verbrennungsmotoren mit zwei oder vier Takten oder auf Kurbelwellen von Kompressoren oder Pumpen mit mehreren in einer Längsreihe angeordneten Zylindern oder mit einer doppelten Anzahl von Zylindern, die in zwei Längsreihen mit jeweils gleicher Zylinderzahl verteilt sind und in Quer-
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COMMERZBANK HAMBURG 22/58226 (BLZ 200 400 00)-POSTSCHECKAMT HAMBURG 225058-206
richtung V-förmig angeordnet sind, anwendbar. Die Erfindung ist auch auf eine Kurbelwelle mit einer zum Beispiel ungeradzahligen Anzahl von gekröpften Kurbeln oder Kurbelarmen für Viertaktverbrennungsmotoren bzw. mit einer geradzahligen Anzahl von Kurbeln für Zweitaktverbrennungsmotoren anwendbar. Die Erfindung betrifft speziell eine Kurbelwelle mit sieben gekröpften Kurbelarmen für Maschinen mit hin-und hergehenden Kolben mit sieben in einer Reihe angeordneten Zylindern oder mit vierzehn Zylindern, die in zwei Reihen von jeweils sieben V-förmig angeordneten Zylindern aufgeteilt sind.
Es sind Kurbelwellen mit zum Beispiel sieben gekröpften, gleichmäßig versetzten Kurbelarmen zum Beispiel für Viertaktverbrennungsmotoren bekannt, die in senkrechter Projektion auf die zur geometrischen Drehachse der Kurbelwelle senkrechte Ebene einen Aufbau aufweisen, bei dem die gekröpften Kurbelarme aufeinander in der Reihenfolge 1-6-3-4-5-2-7 folgen und in gleichen Winkelabständen angeordnet sind, d. h., daß ihre jeweiligen Winkelstellungen in dieser Reihenfolge gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Unter diesen Bedingungen betragen die Winkelabstände zwischen zwei benachbarten gekröpften Kurbelarmen in der vorgenannten Reihenfolge im wesentlichen
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Derartige Kurbelwellen werden wegen ihres natürlichen Auswuchtgrades (statisch und dynamisch) gewählt, der einer der besten ist, den man bei Kurbelwellen mit gleichmäßiger Kurbelarmverteilung erhalten kann, bei denen also die Winkel zwischen den ii der angegebenen Umfangsreihenfolge aufeinanderfolgenden gekröpften Kurbelarmen gleich sind.
Der Ausw.uchtgrad wird durch den Wert der Resultierenden der Kräfte undder Momente definiert, die von den Trägheitskräften jeder Ankoppelung (Gesamtheit Kolben-Pleuel) hervorgerufen werden. Die Rechnung wird im allgemeinen auf die zweite Ordnung der Fourierzerlegung der periodischen Funktion, die die Abhängigkeit der Kräfte von der Zeit darstellt, begrenzt. Für die genannte herkömmliche Kurbelwelle ist, wenn diese mit identischen Gegengewichten versehen ist, der Auswuchtgrad wie folgt:
F1 = 0 M1 = 0 ,267P-, .L M1 1 = 2, 524P1 .L
F2 = 0 M2 = 1 ,006P2 .L M' 2 = o, 526P2 .L
wobei P1 und P2 die Trägheitskräfte erster und zweiter Ordnung bezeichnen, die von einer vollständigen Koppelung entwickelt werden,
L die Entfernung zweier aufeinanderfolgender Ankoppelungen bezeichnet,
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F die freie, für die ganze Kurbelwelle resultierende Kraft der von jeder Ankoppelung entwickelten Kräfte darstellt, M das freie resultierende Moment aller Trägheitskräfte bezogen auf die Mitte der Kurbelwelle bezeichnet und M' den maximalen Wert des inneren Biegemomentes entlang der Kurbelwelle bezeichnet. Da dieses maximale Biegemoment im allgemeinen in der Mitte der Kurbelwelle auftritt, wird M1 als resultierendes, auf die Mitte der Kurbelwelle bezogenes Moment der Trägheitskräfte definiert, die von einer Hälfte dieser Kurbelwelle entwickelt werden.
Bei einem langsam drehenden Motor, zum Beispiel mit einer Nenndrehzahl unterhalb 300 Umdrehungen/Minute, sind die genannten Werte ausreichend klein. Bei einem halbschnellen Motor, zum Beispiel mit einer Nenndrehzahl zwischen ungefähr 300 Umdrehungen/Minute und 700 Umdrehungen/Minute, kann es notwendig sein, das freie Moment M-, das aus allen Trägheitskräften erster Ordnung bezogen auf die Mitte der Kurbelwe-le resultiert, zu verringern. Dies wird im allgemeinen dadurch erreicht, daß man die gekröpften Kurbelarme der Kurbelwelle und insbesondere die Flansche oder seitlichen Wangen, die deren radiale Arme bilden, jeweils mit speziell errechneten unterschiedlichen Gegengewichten versieht. Das vollständige Verschwinden oder die vollständige Kompensierung dieses resul-
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tierenden Momentes M^ kann jedoch nur in dem besonderen Fall von Motoren mit zwei Reihen von Zylindern, die in Querrichtung V-förmig in einem rechten Winkel (90°) angeordnet sind, erreicht werden.
Die Erfindung hat insbesondere zur Aufgabe, diesen Nachteil durch Verbessern des natürlichen Auswuchtgrades von Kurbelwellen der beschriebenen Art zu beheben, die mehrere, zum Beispiel sieben gekröpfte Kurbelarme, aufweisen und bei denen die freien Kräfte F.. und F2 erster und zweiter Ordnung, die Resultierende der Kräfte, die von jeder Ankoppelung herrühren, für die gesamte Kurbelwelle bilden, im wesentlichen null sind. Zu diesem Zwecke schlägt die Erfindung eine Kurbelwelle mit mehreren gekröpften Kurbelarmen vor, die dadurch gekennzeichnet ist, daß ein oder mehrere dieser Kurbelarme individuell um einen verhältnismäßig kleinen Winkel in einer derartigen Drehrichtung und um einen derartigen Betrag gegenüber den Winkelstellungen, die sie bei einer Ausführung mit gleichen Winkelabständen in der orthogonalen Projektion auf eine Ebene quer zur geometrischen Drehachse der Welle einnehmen wurden, versetzt sind, daß dadurch der Auswuchtgrad verbessert wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
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sich aus den Unteransprüchen.
Der neue Auswuchtgrad, der mit der erfindungsgemäß verbesserten Kurbelwelle erreicht werden kann, wird durch die folgenden Zahlenwerte definiert:
F1 = 0 M1 = 0 M'-j = 2,527P1 .L
F2 = 0 M2 = 0,921P2.L M1 2 = 0,463P2-L
Die neue Kurbelwellenform, die dank der Erfindung erzielt werden kann, weist den Vorteil auf, daß das Moment M1 praktisch vollkommen zu Null gemacht werden kann und daß die Verwendung besonderer Gegengewichte unnötig ist, da alle Gegengewichte untereinander im vorliegenden Fall gleich sind.
Diese geringe Änderung der Winkelstellung jedes gekröpften Kurbelarmes bezogen auf die Gestaltung mit regelmäßig verteilten Kurbelarmen nach dem bisherigen Stand der Technik hat keine merklichen Auswirkungen auf die Unregelmäßigkeit des Motormomentes und auf die zusätzlichen Belastungen, die von Trosionsvibrationen der Kurbelwelle herrühren. Die Zündordnung der Zylinder (zum Beispiel die Ordnung 1-3-5-7-6-4-2) ist die gleiche wie vorher und, obwohl die Winkelabstände um
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einige Grade unterschiedlich sind, ist es möglich, dieselbe Gruppierung der Zylinder am Auspuff beizubehalten.
Die Erfindung wird im Folgenden näher an Hand der beigefügten Abbildung erläutert. Diese zeigt eine erfindungsgemäße Kurbelwelle in einer orthogonalen Projektion auf eine Ebene quer zur geometrischen Drehachse der Kurbelwelle durch deren koaxial ausgerichtete Lagerzapfen mit den jeweiligen Spuren der in Längsrichtung durch die geometrischen Längsachsen der Kurbelzapfen der gekröpften Kurbelarme verlaufenden axialen Ebenen, die im Zentrum der genannten geometrischen Drehachse zusammenlaufen, deren Spur wiederum den gemeinsamen Schnittpunkt der jeweiligen Spuren der genannten Ebenen bildet.
Bei der dargestellten Ausführungsform zeigen die radialen, geraden, voll ausgezogenen Linien 01, 06, 03, 04, 05, 02 und 07, die strahlenförmig um das Zentrum 0, das die Spur der geometrischen Drehachse der Kurbelwelle darstellt, angeordnet sind, die Ausführung der herkömmlichen Kurbelwelle mit sieben gekröpften Kurbelarmen mit gleichmäßiger Verteilung in gleichen AbStandswinkeIn vom Werte
360°
öC = = 51,4286°.
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In der gleichen Abbildung wird durch gerade, radiale, unterbrochene Linien OT, 06', 03', 04', 05', 02' und 07' die neue erfindungsgemäße Gestaltung einer Kurbelwelle mit sieben gekröpften Kurbelarmen gezeigt, bei der jeder gekröpfte Kurbelarm an einem einzigen Pleuelkopf oder an zwei nebeneinander oder Seite an Seite auf dem gleichen Zapfen eines einzigen Kurbelarmdrehzapfens liegenden Pleuelköpfen koppelt oder angelenkt ist. In der Abbildung stellen die durch die Bezugsziffern 1, 6, 3, 4, 5, 2, 7 und T, 6', 3', 4', 5', 2·, 7' bezeichneten Punkte die Spuren der geometrischen Längsachsen (parallel zur geometrischen Drehachse der Kurbelwelle 0) von Zapfen oder Kurbelzapfen verschiedener gekröpfter Kurbelarme einer bekannten herkömmlichen Kurbelwelle bzw. einer erfindungsgemäßen verbesserten Kurbelwelle dar. Die radialen Linien, die das gemeinsame Zentrum 0 mit diesen verschiedenen Punkten verbinden, versinnbildlichen dann die Spuren der genannten axialen Ebenen, die den Flanschen oder radialen Armen zugeordnet werden können, die die seitlichen Wangen der genannten gekröpften Kurbelarme bilden. Um die neue Gestaltung, die in unterbrochenen Linien dargestellt wird, besser von der herkömmlichen, in vollen Linien dargestellten Ausführung unterscheiden zu können, sind die Kurbelwellenarme 01', 06', 03', 04', 05', 02' und 07' der neuen, erfindungsgemäßen Ge-
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staltung länger ausgeführt als die radialen Kurbelwellenarme 01, 06, 03, 04, 05, 02 und 07 der bekannten Gestaltung.
Man stellt fest, daß erfindungsgemäß der gekröpfte Kurbelarm 04' mit der Winkelstellung des gekröpften Kurbelarmes 04 der bekannten Kurbelwelle zusammenfällt, d. h. daß er keine winkelmäßige Versetzung erlitten hat. Die gekröpften Kurbelarme 03' und 05' sind winkelmäßig symmetrisch in Richtung wachsenden Abstandes voneinander jeweils um den Wert 1,241° bezogen auf ihre ursprüngliche Stellung in der bekannten Ausführung versetzt, so daß sie in ihrer neuen Winkelstellung mit dem gekröpften mittleren Kurbelarm 04' jetzt einen spitzen Winkel von 52,67° bilden. In gleicher Weise sind die gekröpften Kurbelarme 06' und 02' winkelmäßig jeweils um den Wert 2,147° in Richtung wachsenden Abstandes voneinander, bezogen auf ihre jeweilige ursprüngliche Winkelstellung in der alten bekannten Gestaltung, d. h. in Richtung zu den benachbarten gekröpften Kurbelarmen 03' und 05' hin, versetzt, so daß sie jetzt mit letzteren jeweils einen spitzen Winkel von 48, 04° bilden. Schließlich sind die gekröpften Kurbelarme 01' und 07' winkelmäßig um den Wert 2,744° bezogen auf ihre alten, bekannten Winkelstellungen in Richtung ihrer gegenseitigen Annäherung oder Entfernung von den zwei genannten
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benachbarten Kurbelarmen versetzt, so daß sie miteinander jetzt einen spitzen Winkel von 45,94° einschließen und mit den benachbarten gekröpften Kurbelarmen 06' und 02' jeweils einen spitzen Winkel von 56,32° bilden. Die neue, auf diese Weise erhältliche Gestaltung ist symmetrisch zu einer durch die Linie 04" verlaufenden Geraden, die die Spur der axialen Längsebene durch die geometrische Längsachse des den Kurbelzapfen des gekröpften Kurbelarmes 04! bildenden Zapfens versinnbildlicht.
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Claims (6)

Patentansprüche :
1.j Drehbare Kurbelwelle mit mehreren gekröpften Kurbelarmen und Auswuchtgewichten für Maschinen mit hin- und hergehenden Kolben, bei der jeder Kurbelzapfen an einen oder an zwei nebeneinanderliegende Pleuelköpfe angekoppelt ist und bei der die freien Kräfte erster und zweiter Ordnung, die die Resultierenden der von jeder Ankopplung herrührenden Kräfte für die gesamte Kurbelwelle darstellen, vorzugsweise im wesentlichen null sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere dieser Kurbelarme (01', 07', 02', 05', 03',06') individuell um einen verhältnismäßig kleinen Winkel in einer derartigen Drehrichtung und um einen derartigen Betrag gegenüber den Winkelstellungen (01, 07, 02, 05, 03, 06), die sie bei einer Ausführung mit gleichen Winkelabständen in der orthogonalen Projektion auf eine Ebene quer zur geometrischen Drehachse (0) der Welle einnehmen wurden, versetzt sind, daß dadurch der Auswuchtgrad verbessert wird.
2. Kurbelwelle nach Anspruch 1 mit einer zum Beispiel ungeraden
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Anzahl, wie sieben Kurbelärmen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelarme (OT, 07', 02», 05«, 03', 06') gegenüber den Winkelstellungen (01, 07, 02, 05, 03, 06) mit winkelmäßig stets um den gleichen Winkel von 51,4286 versetzten Kurbelarmen derart versetzt sind, daß das freie Moment (M1) aller Trägheitskräfte erster Ordnung, die von einer vollständigen Ankoppelung herrühren, bezogen auf die Mitte der genannten Kurbelwelle im wesentlichen null ist, und daß vorzugsweise alle genannten Auswuchtgewichte im wesentlichen gleich sind.
3. Kurbelwelle nach Anspruch 2, mit Winkelstellungen der genannten Kurbelarme, die in der genannten orthogonalen Projektion in der Ordnung 1-6-3-4-5-2-7 aufeinander folgen, ge kenn ζ e i chne t dur ch drei Paare (1-7, 6-2, 3-5) von Winkelstellungen, bei denen in jedem Paar die Winkelstellungen bezogen auf die axiale Längsebene des zentralen bzw. mittleren Kurbelarmes (4), die durch die geometrische Drehachse (0) der Kurbelwelle verläuft, symmetrisch sind.
4. Kurbelwelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Winkelstellungen der Kurbeln jedes Paares (1-7, 6-2, 3-5) derart versetzt sind, daß der kleine^, zwischen den beiden
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Kurbeln des Paares eingeschlossene Winkel bei den Paaren 6-2 und 3-5 vergrößert und bei dem Paar 1-7 verkleinert wird.
5. Kurbelwelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelarme der Paare 1-7, 6-2 bzw. 3-5 jeweils um die Winkel 2,744°, 2,147° bzw. 1,241° versetzt sind.
6. Kurbelwelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn P1 und P- die Trägheitskräfte erster und zweiter Ordnungen, die von einer vollständigen Ankoppelung hervorgerufen werden, L die Entfernung, die zwei aufeinanderfolgende Ankoppelungen trennt, M. und M2 die freien Momente, die jeweils von allen Trägheitskräften erster und zweiter Ordnung bezogen auf die Mitte der genannten Kurbelwelle herrühren, und M' und M1 2 die resultierenden Momente der Trägheitskräfte erster und zweiter Ordnungen, die von einer Hälfte der genannten Kurbelwelle bezogen auf deren Mitte hervorgebracht werden und den inneren maximalen Biegemomenten entlang der genannten Kurbelwelle äquivalent sind, bezeichnen, der Auswuchtgrad durch die folgenden Beziehungen definiert ist:
M1 = 0 M'-j = 2,527P1-L
M2 = 0,921P2.L M'2 = 0,463P2-L
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