DE261311C - - Google Patents

Description

KAISERLICHESIMPERIAL

PATENTAMT.PATENT OFFICE.

PATENTSCHRIFTPATENT LETTERING

- M 261311 KLASSE 46 a. GRUPPE- M 261311 CLASS 46 a. GROUP

Patentiert im Deutschen Reiche vom 27. November 1909 ab.Patented in the German Empire on November 27, 1909.

Einzelne Kraftmaschinen, beispielsweise Verbrennungskraftmaschinen, besitzen außer den Arbeitszylindern noch Hilfszylinder, z. B. Luftkompressoren, Wasserpumpen, Kondensationspumpen usw. Durch besondere Anordnung dieser Hilfszylinder kann ein Ausgleich der Massenwirkungen in dem ganzen System selbst erzielt werden. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kraftmaschinen,Individual engines, for example internal combustion engines, in addition to the working cylinders, they also have auxiliary cylinders, e.g. B. air compressors, water pumps, condensation pumps etc. By special arrangement of these auxiliary cylinders, a balance of the mass effects in the whole System itself can be achieved. The present invention relates to prime movers,

ίο deren Zylinderzahl ein gerades Vielfaches von Zwei oder Drei ist und welche zwei oder mehrere Hilfszylinder haben. Es ist bekannt, vier- und mehrzylindrige Kolbenmaschinen durch besondere Wahl der Kurbel winkel, verschiedene Gewichte der Betriebsteile und verschiedene Entfernung der einzelnen Zylinder in ihren Massenwirkungen auszugleichen. Diese Art des Massenausgleiches eignet sich nicht für Verbrennungskraftmaschinen, weil bei diesen sowohl die einzelnan Kurbelwinkel untereinander wegen des Anlassens als auch die Zylinderentfernungen und das Kurbelgetriebe, im Gegensatz zur Dampfmaschine, unter sich möglichst gleich ausgeführt werden.ίο whose number of cylinders is an even multiple of Two or three and which have two or more auxiliary cylinders. It is known, four- and multi-cylinder piston machines due to the special choice of the crank angle, different Balance the weights of the operating parts and the various distances between the individual cylinders in terms of their mass effects. These Type of mass balancing is not suitable for internal combustion engines because at these both individually at the crank angle to each other because of the starting and the cylinder distances and the crank mechanism, in contrast to the steam engine, should be carried out in the same way as possible.

Bei den in Betracht kommenden Vier-, Sechsund Mehrkurbelmaschinen seien also alle Kurbeln unter gleichen oder nahezu gleichen Winkeln gegeneinander versetzt, nämlich um 90 ° bei der Vierzylindermaschine und 60 ° bei der Sechszylindermaschine usw.In the case of the four-, six- and multi-crank machines under consideration, all are cranks offset from one another at the same or almost the same angles, namely by 90 ° for the four-cylinder engine and 60 ° for the six-cylinder engine, etc.

Die vorliegende Erfindung besteht darin, solche vier-, sechs- oder mehrkurbelige Kraftmaschinen durch besondere Wahl der Kurbelfolge für die Arbeits- und Hilfszylinder, ebenso durch die Wahl der Lage der einzelnen Hilfszylinder sowohl in bezug auf Massendruckals auch auf Massenmomentenwirkungen auszugleichen. The present invention resides in such four, six or more crank engines through the special choice of the crank sequence for the working and auxiliary cylinders, as well as through the choice of the position of the individual auxiliary cylinders to balance both with respect to mass pressure and to mass moment effects.

Die als Beispiel in Fig. 1 dargestellte Kraftmaschine besitzt vier Arbeitszylinder, die auf vier im Abstand α voneinander liegende Kurbeln I bis IV wirken. Die Stellung der vier Arbeitskurbeln zueinander ist aus Fig. 2 ersichtlich. Die zwei äußeren Kurbeln I und IV stehen einander diametral gegenüber; dazu rechtwinklig steht das andere Kurbelpaar II und III; letzere beiden Kurbeln können ihre Bezeichnung in Fig. 2 auch vertauschen. Die beiden Hilfszylinder, z. B. zwei Luftkompressoren, befinden sich an beiden Enden der Kurbelwelle und wirken auf die beiden Kurbeln H₁ und H₂, welche ebenfalls diametral zueinander stehen. Die auf die Arbeitskurbeln I bis IV wirkenden Kolben- und Gestängemassen erzeugen Massendrücke erster Ordnung (also ohne Berücksichtigung der endlichen Länge der Schubstangen) in der Richtung der Zylinderachse, welche sich infolge der Gleichheit der vier Kurbelwinkel und der diametralen Lage je zweier Kurbeln ausgleichen.. Ist m die in Betracht kommende, hin und her gehende Masse eines Zylinders, r der zugehörige Kurbelradius und ν die konstante Umfangsge-The engine shown as an example in Fig. 1 has four working cylinders which act on four cranks I to IV located at a distance α from one another. The position of the four working cranks relative to one another can be seen from FIG. The two outer cranks I and IV are diametrically opposed to each other; at right angles to this is the other pair of cranks II and III; the latter two cranks can also swap their designation in FIG. 2. The two auxiliary cylinders, e.g. B. two air compressors are located at both ends of the crankshaft and act on the two cranks H ₁ and H ₂ , which are also diametrically opposed to each other. The piston and rod masses acting on the working cranks I to IV generate mass pressures of the first order (i.e. without taking into account the finite length of the push rods) in the direction of the cylinder axis, which balance out due to the equality of the four crank angles and the diametrical position of two cranks .. If m is the reciprocating mass of a cylinder, r is the associated crank radius and ν is the constant circumferential

schwindigkeit des Kurbelzapfens, so ist der Massendruckspeed of the crank pin, so is the mass pressure

P = m — cos χ r P = m - cos χ r

für jeden Wert des Drehwinkels χ der Kurbel aus ihrer Totpunktstellung. Diese Massenkräfte erzeugen Drehmomente in der durch die Kurbelachse und die Zylinderachsen gelegten Ebene. Die veränderliche Größe dieserfor each value of the angle of rotation χ of the crank from its dead center position. These inertial forces generate torques in the plane laid by the crank axis and the cylinder axes. The changing size of this

ίο Massenkraftmomente ist eine einfache Cosinusfunktion und wiederholt sich bei jeder Umdrehung; dasselbe gilt auch für das resultierende Massenkraftmoment sämtlicher Arbeitszylinder. Zum Ausgleich dieses resul-ίο moments of inertia is a simple cosine function and repeats itself with every revolution; the same goes for the resulting one Moment of inertia of all working cylinders. To compensate for this result-

i"5 tierenden Momentes dient eine durch das Bewegungsgestänge der beiden Hilfszylinder H₁ und H₂ erzeugtes, dem ersteren eutgegengesetzt gerichtetes Massenkraftmoment, welches selbstverständlich ebenfalls eine einfache Cosinusfunktion ist. Da der gegenseitige Abstand b der beiden Hilfspumpen oder entsprechenden Hilfszylinder H₁ und H₂ gegenüber den einzelnen Abständen α der Arbeitszylinder genügend groß gewählt werden kann, brauchen die Bewegungsgestänge der Pumpen nicht so groß wie jene der Arbeitszylinder zu sein. Der Winkel z, den die beiden Hilfskurbeln mit der Totpunktlage der ersten Arbeitskurbel einschließen, ist eine konstante Größe; derselbe wechselt sein Vorzeichen bei der Verwechslung der beiden Hauptkurbeln II und III. Die durch die Gestänge der beiden Hilfszylinder H₁ und H₂ erzeugten Massendrücke sind gleich, jedoch entgegengesetzt gerichtet, heben sich also in ihrer Wirkung auf. Durch diese Anordnung sind demnach sämtliche Massenkräfte und Massendruckmomente erster Ordnung des kombinierten Maschinensystems ausgeglichen.At the same time, a moment of inertia, which is generated by the movement linkage of the two auxiliary cylinders H ₁ and H ₂ and is directed opposite to the former, is used, which is of course also a simple cosine function. Since the mutual distance b of the two auxiliary pumps or corresponding auxiliary cylinders H ₁ and H ₂ can be chosen to be sufficiently large compared to the individual distances α of the working cylinder, the movement linkages of the pumps do not need to be as large as those of the working cylinders. The angle z that the two auxiliary cranks enclose with the dead center position of the first working crank is a constant value; the same changes its sign when the two main cranks II and III are mixed up. The mass pressures generated by the linkage of the two auxiliary cylinders H ₁ and H ₂ are the same, but directed in opposite directions, so their effect is canceled out Mass moments of pressure first Order of the combined machine system balanced.

Die beiden Hilfszylinder H₁ und H₂ können auch näher zusammengerückt werden, indem sie zwischen die einzelnen Arbeitszylinder oder sogar in die Mitte der Kurbelwelle zwischen die Kurbeln II und III nebeneinander gesetzt werden. Dabei müssen jedoch bei Verkleinerung des Pumpenabstandes b die Gestängemassen der Pumpen bzw. die Kurbelradien vergrößert werden; es wird also für die Ausführung vorteilhaft sein, die beiden Pumpen möglichst weit auseinanderzulegen, besonders dann, wenn dieselben klein bemessen werden sollen.The two auxiliary cylinders H ₁ and H ₂ can also be moved closer together by placing them next to one another between the individual working cylinders or even in the middle of the crankshaft between the cranks II and III. However, when the pump spacing b is reduced, the rod masses of the pumps or the crank radii must be increased; It will therefore be advantageous for the execution to place the two pumps as far apart as possible, especially if they are to be made small.

Die durch die endliche Länge der Schubstangen bedingten Massenwirkungen sogenannter zweiter Ordnung sind in vorliegendem Maschinensystem in der Hauptsache ebenfalls ausgeglichen. Diese sekundären Massendrücke nach dem AusdruckThe so-called mass effects caused by the finite length of the push rods of the second order are also mainly in the present machine system balanced. These secondary mass pressures according to the expression

P₁ =P ₁ =

-γ I COS 2 X, -γ I COS 2 X,

worin I die Schubstangenlänge bedeutet, sind in dem gewählten Vierkurbelsystem infolge der vier gleichen Kurbelwinkel von 90° ausgeglichen. Ebenso sind auch die Momente dieser Massendrücke zweiter Ordnung ausgeglichen, und zwar dadurch, daß die beiden Kurbelpaare mit diametral zueinander stehenden Kurbeln, also I und IV bzw. II und III, in der Längsrichtung der Kurbelwelle symmetrisch zu deren Mitte angeordnet sind. Da sich entsprechend der Cosinusfunktion des doppelten Drehwinkels diese Massendrücke bei jeder Umdrehung zweimal nach Größe und Richtung wiederholen, ergeben die diametral gestellten Kurbeln eines jeden Kurbelpaares gleiche und gleichgerichtete Massendrücke zweiter Ordnung, so daß keine Momente frei werden können, da die Kurbelpaare symmetrisch zur Wellenmitte angeordnet sind.where I is the push rod length, are balanced in the selected four-crank system due to the four equal crank angles of 90 °. The moments of these mass pressures of the second order are also balanced, namely in that the two pairs of cranks with diametrically opposed cranks, i.e. I and IV or II and III, are arranged in the longitudinal direction of the crankshaft symmetrically to its center. Since, according to the cosine function of the double angle of rotation, these mass pressures are repeated twice in terms of magnitude and direction with each revolution, the diametrically positioned cranks of each pair of cranks result in the same and rectified mass pressures of the second order, so that no moments can be released because the crank pairs are arranged symmetrically to the shaft center are.

Da auch die beiden ' Pumpenkurbeln H₁ und H₂ diametral zueinander stehen, so sind ebenfalls deren Massendrücke zweiter Ordnung einander gleich, d. h. sie heben sich auf. Da dieselben entgegengesetzt gerichtet sind, ergeben sie kein freies Massenmoment. Die im ganzen Maschinensystem einschließlich Hilfszylinder unausgeglichen bleibenden Massendrücke zweiter Ordnung, von den beiden go Hilfspumpen herrührend, sind unbedeutend, da die Bewegungsmassen an den Pumpen verhältnismäßig klein ausgeführt werden können. Außerdem kann das Verhältnis von Schubstangenlänge zum Kurbelradiüs bei den beiden Pumpen sehr groß gewählt werden, so daß diese Massenkräfte verschwindend klein ausfallen.Since the two pump cranks H ₁ and H ₂ are also diametrically opposed to one another, their second order mass pressures are also equal to one another, ie they cancel one another out. Since they are directed in opposite directions, they do not result in a free moment of inertia. The remaining unbalanced mass pressures of the second order in the entire machine system including the auxiliary cylinder, originating from the two auxiliary pumps, are insignificant, since the moving masses at the pumps can be made relatively small. In addition, the ratio of the length of the push rod to the crank radius in the two pumps can be selected to be very large, so that these inertia forces are negligibly small.

In gleicher Weise wie an der Vierkurbelmaschine können die Massenwirkungen auch an der Sechskurbelmaschine mit sechs gleichen oder nahezu gleichen Kurbelwinkeln erreicht werden. Wie die Fig. 3 und 4 zeigen, stehen, wie bei der Vierkurbelmaschine, je zwei symmetrisch zum Längsmittelpunkt der Kurbel- welle liegende Kurbeln I und VI bzw. II und V und III und IV einander diametral gegenüber. Die beiden Kurbeln II und III bzw. IV und V können in Fig. 4 auch vertauscht werden. Die beiden Hilfszylinder oder Pumpen H₁ und H₂ stehen an beiden Enden der Kurbelwelle und besitzen gegenläufige Kurbeln. Das aus den drei Zylinderpaaren resultierende Massenmoment erster Ordnung, das nach einer Cosinusfunktion veränderlich ist, wird durch das im Pumpenpaar H₁ und H₂ erzeugte Massendruckmoment erster Ordnung ausgeglichen. Wie bei der Vierkurbelmaschine ist es auch hier vorteilhaft, die beiden Pumpen weit auseinanderzulegen, so daß dadurch ihr Abstand b vergrößert und dafür ihre Gestängemassen verkleinert werden.In the same way as on the four-crank machine, the mass effects can also be achieved on the six-crank machine with six identical or almost identical crank angles. As shown in FIGS. 3 and 4, as in the case of the four-crank machine, two cranks I and VI or II and V and III and IV, which are symmetrical to the longitudinal center of the crankshaft, are diametrically opposite one another. The two cranks II and III or IV and V can also be interchanged in FIG. 4. The two auxiliary cylinders or pumps H ₁ and H ₂ are at both ends of the crankshaft and have counter-rotating cranks. The first-order moment of inertia resulting from the three pairs of cylinders, which is variable according to a cosine function, is compensated for by the first-order moment of mass pressure generated in the pair of pumps H ₁ and H _2. As in the case of the four-crank machine, it is also advantageous here to place the two pumps far apart, so that their distance b is increased and their rod mass is reduced.

Claims (1)

Wie bei der Vierkurbelmaschine des ersten Beispiels sind auch bei dieser Sechskurbelmaschine sowohl die Massendrucke als die Massenmomente zweiter Ordnung vollständig ausgeglichen.As with the four-crank machine in the first example, there are also in this six-crank machine both the mass pressures and the second order mass moments are fully balanced. Bezüglich der sekundären Massenwirkungen des Pumpenpaares gilt dasselbe wie bei der Vierkurbelmaschine.With regard to the secondary mass effects of the pump pair, the same applies as for the Four-crank machine. Bei Maschinen, welche keine HilfszylinderFor machines that do not have auxiliary cylinders ίο für Nebenzwecke haben, wird dasselbe.erreicht, wenn man an deren Stelle zwei besonders für den Augleichszweck dimensionierte Hilfskraftzylinder aufstellt oder auch nur hin und her gehende Hilfsmassen.ίο have for secondary purposes, the same is achieved. if you replace them with two auxiliary power cylinders specially dimensioned for the purpose of balancing sets up or only auxiliary masses going back and forth. Die einzelnen Kraftzylinder können unter sich gleich sein, ebenso auch die Hilfszylinder, oder es können dieselben auch nur gleichartig sein, d. h. mit gleichem Verhältnis von Schubstangenlänge zur Kurbellänge, wobei jedoch die entsprechenden, hin und her gehenden Massen so dimensioniert sind, daß die Zylinder gleiche Massenkräfte besitzen.The individual power cylinders can be the same as the auxiliary cylinders, or they can only be of the same kind, i.e. H. with the same ratio of push rod length to the crank length, but the corresponding, reciprocating masses are dimensioned so that the cylinders have the same mass forces. Die beschriebene Anordnung kann auch mehrfach um eine gleiche gemeinsame Kurbelwelle herum in verschiedenen Ebenen angeordnet werden, wenn nur die Anordnung in jeder einzelnen Ebene den hier gestellten Bedingungen entspricht.The arrangement described can also be used several times around the same common crankshaft be arranged around in different levels, if only the arrangement in each individual level meets the conditions set here is equivalent to. Was im vorhergehenden von den Wirkungen der hin und her gehenden Massen in der gemeinsamen Zylinderebene gesagt wurde, gilt auch für die Wirkungen der schwingenden und rotierenden Triebwerksteile in den Ebenen senkrecht zur gemeinsamen Zylinderebene.What in the foregoing of the effects of the masses going back and forth in the common cylinder plane has been said also applies to the effects of the vibrating and rotating engine parts in the planes perpendicular to the common cylinder plane. Die Beschleunigungskomponente dieserTriebwerksteile senkrecht zur gemeinsamen Zylinderebene seien für einen Zylinder gleich K gesetzt; dann ist aus den Werken über die Massenwirkung die Formel bekannt:Let the acceleration components of these engine parts perpendicular to the common cylinder plane be set equal to K for a cylinder; then the formula is known from the works on mass action: K = m · — smj;,
r K = m · - smj ;,
r worin m die Masse der Schubstange, ν die Kurbelgeschwindigkeit, r den Kurbelradius und χ den Drehwinkel der Kurbel aus ihrer Totpunktstellung bedeuten. ■ Diese Massenkräfte der einzelnen Schubstangen der Kraftzylinder sind unter sich ausgeglichen durch. die diametrale Stellung der Kurbeln, weil die einzelnen Kurbelpaare je gleiche schwingende Schubstangenmassen besitzen.where m is the mass of the push rod, ν is the crank speed, r is the crank radius and χ is the angle of rotation of the crank from its dead center position. ■ These inertial forces of the individual push rods of the power cylinder are balanced among themselves by. the diametrical position of the cranks because the individual pairs of cranks each have the same oscillating push rod masses. Diese Massenkräfte erzeugen Schleudermomente in Ebenen senkrecht zur gemeinsamen Zylinderebene; das Schleudermoment, welches in dieser Weise durch zwei diametral angeordnete Kurbeln mit sonst gleichen Verhältnissen entsteht, ist dann, wie aus den betreffenden Spezialwerken bekannt,These inertial forces generate centrifugal moments in planes perpendicular to the common Cylinder plane; the centrifugal moment, which in this way by two diametrically arranged Cranks with otherwise the same conditions arise, is then, as from the concerned Special works known, M = a· M = a • sin χ),• sin χ ), wo α der Abstand der beiden Zylinderachsen ist.where α is the distance between the two cylinder axes. Diese Formel ist eine einfache Sinusfunktion ; dasselbe gilt für ein zweites (bzw. ein drittes) Zylinderpaar mit diametralen Kurbeln.This formula is a simple sine function; the same applies to a second (or a third) Pair of cylinders with diametrical cranks. Das Schleudermoment des ganzen auszugleichenden Kurbelsystems ist demnach die Summe zweier oder mehrerer Sinusfunktionen.The centrifugal moment of the whole crank system to be compensated is therefore the Sum of two or more sine functions. Nun ist aber nach trigonometrischen Gesetzen die Summe zweier (oder mehrerer) Sinusfunktionen selbst wieder eine einfache Sinusfunktion (was aus der Mathematik bekannt, .daher nicht zu beweisen ist).However, according to trigonometric laws, it is the sum of two (or more) sine functions itself again a simple sine function (which is known from mathematics, and therefore cannot be proven). Dadurch ist bewiesen, daß das durch die Schleuderkräfte mehrerer Zylinderpaare (Kraftzylinder) erzeugte resultierende Schleudermoment durch ein entgegengesetzt gerichtetes Schleudermoment (oder zwei Hilfszylinder) ausgeglichen werden kann, welches durch ein einziges Zylinderpaar erzeugt wird, vorausgesetzt, daß dessen Kurbelwinkel und Gestängemassen aus den trigonometrischen Formeln richtig berechnet werden.This proves that the centrifugal forces of several pairs of cylinders (power cylinders) resulting centrifugal moment generated by an oppositely directed centrifugal moment (or two auxiliary cylinders) can be compensated, which is generated by a single pair of cylinders, provided that that its crank angle and rod mass are correctly calculated from the trigonometric formulas. Diese Berechnung zeigt, daß der Kurbelwinkel und die Gestängemassen, welche für die Aufhebung der hin und her gehenden Massenwirkungen sich berechnen, identisch sind mit dem Kurbelwinkel und den Gestängemassen, welche die Aufhebung der Schleuder-Wirkungen ergeben.This calculation shows that the crank angle and the linkage masses which are used for the cancellation of the reciprocating mass effects are calculated identically are related to the crank angle and the linkage masses which cancel out the slinging effects result. Pa τ en τ-Anspruch:Pa τ en τ claim: Kraftmaschine, deren Zylinder- bzw. Kurbelzahl ein gerades Vielfaches von Zwei oder Drei ist, mit unter gleichen oder nahezu gleichen Winkeln zueinander stehenden Kurbeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbeln derselben paarweise einander gegenüberstehen und symmetrisch zum Längsmittelpunkt der Kurbelwelle angeordnet sind, und daß zwei Hilfszylinder angeordnet sind, deren Kurbeln ebenfalls einander gegenüberstehen und symmetrisch zum Längsmittelpunkt der Kurbelwelle an- !05 geordnet sind, und deren Kurbelstellung und Gestängemassen so berechnet sind, daß die Massenwirkungen der hin und her gehenden Triebwerksteile in der gemeinsamen Zylinderebene sowohl als die Schleu- n? derwirkung der schwingenden und rotierenden Triebwerksteile in Ebenen senkrecht zur gemeinsamen Zylinderebene in der beschriebenen Weise aufgehoben werden.''Power machine whose number of cylinders or cranks is an even multiple of two or three, with being at equal or nearly equal angles to each other Cranks, characterized in that the cranks of the same oppose each other in pairs and are symmetrical are arranged to the longitudinal center of the crankshaft, and that two auxiliary cylinders are arranged whose cranks also face each other and are symmetrical to the longitudinal center of the crankshaft! 05 are ordered, and their crank position and rod masses are calculated so that the mass effects of the back and forth going engine parts in the common cylinder plane as well as the sling? the effect of the vibrating and rotating engine parts in planes perpendicular to the common cylinder plane in the described Wise to be repealed. '' Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.1 sheet of drawings.