DE2834666C2

DE2834666C2 - Kurbelwelle für Fünfzylinder-Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2834666C2
Application number: DE19782834666
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. 8500 Nürnberg Deschler; Hans 8506 Langenzenn Gebhardt
Original assignee: MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NUERNBERG AG 8500 NUERNBERG DE; Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg Ag 8500 Nuernberg
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 1978-08-08
Filing date: 1978-08-08
Publication date: 1985-04-04
Also published as: DE2834666A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kurbelwelle für Fünfzylinder-Brennkraftmaschinen in Reihenanordnung.

Kurbelwellen für Mehrzylindermotoren werden in der Regel so ausgelegt, daß eine Zündfolge mit möglichst gleichmäßigem Zündabsiand zustande kommt Bei Motoren mit ungeraden Zylinderzahlen führt das wegen der Stirnivmmetrie, d. h. wegen der - von vorne gesehen - symmetrisch angeordneten Kröpfungsebenen der Kurbeiwelle zum Ausgleich der Massenkräfte, die jedoch, wenn man die Kurbelwelle von der Seite betrachtet, infolge fehlender Läjssymmetrie nach außen wirkende Momente hervorrufen. Diese Momente ergeben sich aus den rotierenden sowie oszillierenden KräAen, wobei letztere wegen ihrer Wirkrichtung entsprechend der Zylinderlängsachsen und der Abhängigkeit im Betrag nach einer Cosinus-Funktion mit einfachen konstruktiven Mitteln, beispielsweise mit Gegengewichten, nicht ausgeglichen werden können.

Im allgemeinen führen freie Momente gegenüber freien Kräften zu weniger störenden Erscheinungen, da sie durch entsprechende Wahl der Lagerpunktabstände des Motorgehäuses und damit der Hebelarmlänge zum Schwerpunkt des gesamten schwingenden Systems beeinflußt werden können. Dies gilt, solange die Eigenfrequenz des gesamten schwingenden Systems (Motorblock, Getriebe usw.) in genügendem Abstand zur Drehfrequenz des Motors steht. Hierbei spielen die Nenndrehzahl des Motors sowie die Ordnung der Erregenden eine Rolle. Soll die Abstimmung unterkritisch sein, was bei festen bzw. steifen Motor- und Getriebegehäusen der Fall ist, so muß das Verhältnis

"Mo

ⁿGihiu

sein, wobei mit n_Molar die jeweilige Motordrehzahl in //min, mit / die Zahl der Ordnung und mit n_Qthiusr die Eigenschwingungszahl des gesamten schwingenden Systems in //min bezeichnet ist.

Es hat sich gezeigt, daß die Bedingung mit steigender Ordnungszahl schwerer zu erfüllen ist, da die Eigenschwingungszahl des gesamten schwingenden Systems nur mit der Wurzel der Steifigkeit wächst. Bei Hubkolbenmotoren mit endlicher Pleuelstangenlänge sind praktisch nur die I. und II. Ordnung von Interesse, wobei die II. Ordnung mit dem Stangenverhältnis und der zweifachen Motordrehfrequenz versehen ist Das Stangenverhältnis ergibt sich dabei aus λ = r/7, mit r als Kurbelradius oder halben Kolbenhub und / als Stich-

S maß der Pleuelstange, das ist der Abstand von Mitte Pleuelstangenlager bis Mitte Kolbenbolzenlager.

Bezeichnet man mit m_ot. die oszülierencle, also die hin- und hergehende Masse, mit r den halben kolbenhub, mit ω die Kreisfrequenz des Motors und mit t die

ίο Zeit der Betrachtung nach dem oberen Totpunkt, in dem sie mit Null angesetzt wird, so lassen sich nach vorstehendem die Kräfte I. und EL Ordnung wie folgt darstellen:

P₁ = m_BIZ
Pu — λ ■ in,

■ τ ■ ω² ■ cos ωί

r · ω² ■ cos 2ω/

Unter Berücksichtigung dieser Tatsachen treten bei-

mäßigem Zündabstand neben den rotierenden Momenten, die durch Gegengewichte voll ausgleichbar sind, auch Momente I. und II. Ordnung auf, die voll auf das gesamte schwingende System wirken und sich wie folgt errechnen lassen:

M₁ = 0,449 P_x a

Ai₁₁= 4,98 Λ) α

wobei mit α der Abstand von Mitte Kurbelzapfen zur Mitte des daneben liegenden Kurbelzapfens oder besser von der Mitte eines Zylinders bis zur Mitte des nächsten Zylinders bezeichnet ist.

Die genannten Belastungen gelten, wie beispielsweise in dem Buch von O. R. Lang »Triebwerke schnelllaufender Verbrennungsmotoren« veröffentlicht, für die günstigste Kurbelsternanordnupj die von den zur Auswahl stehenden Anordnungen getroffen werden kann, bei der das Moment II. Ordnung bei einem fur Hubkolbenmotoren üblichen Stangenverhältnis von 0,25 bis 0,30 dreimal so groß ist wie das Moment I. Ordnung. Darüber hinaus läuft das Moment II. Ordnung mit doppelter Drehfrequenz um, so daß die Gefahr von resonanzähnlichen Schwingungserscheinungen bei weniger steifen Gehäusen für das schwingende System, d. h. bei Gehäusen mit geringerer Eigenfrequenz, durch gegeben ist. Es sei hier noch erwähnt, daß die Steifigkeit eines Gehäuses vom Material, beispielsweise Leicht-

SO metall, und von der konstruktiven Gestaltung abhängig ist

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kurbelwelle für Fünfzylinder-Brennkraftmaschinen ohne freie Momente I. und II. Ordnung zu schaffen.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Kurbelzapfen bildenden Kröpfungen in drei sich jeweils einseitig von der Kurbelwellenlängsachse aus erstreckenden Ebenen angeordnet sind, daß eine Kröpfung in einer Ebene und jeweils zwei Kröpfungen in den beiden anderen Ebenen liegen, und daß die jeweils zwei Kröpfungen aufweisenden Ebenen je einen Winkel von 105° zur dritten Ebene bilden.

Die bei dieser Anordnung auftretenden Kräfte 11. Ordnung, wobei die Summe aller rotierenden Kräne und aller Kräfte I. Ordnung gleich Null ist, lassen sich nicht mit einfachen Mitteln aufheben und müssen von der Motorlagerung aufgenommen werden. Wie aus dem Kurbelstern der Kurbelwelle abzuleiten ist, beträgt der

Maximalwert der Kraft II. Ordnung

fli««· = (2 · VT-1) · λ ■ m^ · τ ■ ω¹

Bei einem Vergleich mit einem Vierzylinder-Motor, bei dem die Kräfte Π. Ordnung ebenfalls nicht aufgehoben werden können, schneidet also der Fünfzylinder-Motor hinsichtlich freier Kräfte besser ab, wie aus folgendem Verhältnis zu ersehen ist:

ft S-ZyL _ 2 -VT-I

iPT 4 °'⁶¹⁶·

Allerdings bringt die Zündfolge, deren Wahl an sich keine Rolle spielt, beim Fünfzylinder-Motor mit einer längssymmetrisch gekröpften Kurbelwelle einen ungleichmäßigen Zündabstand mit sich, der zu einem etwas schlechteren Ungleichformigkeitsgrad führen kann, was jedoch in Kauf genommen wird.

Als vorteilhaft hingegen rnüß angesehen werden, daß die erfindungsgemäße Kurbelwelle einfach zn schmieden ist, da der Kurbelstern ähnlich dem eines Sechszylinder-Motors ist und zweimal zwei Kurbelzapfen in einer Kröpfungsebene liegen. Weiterhin kann die Kurbel welle ohne Meistergewichte, d. h. ohne später wieder abzumontierende Gewichte ausgewuchtet werden, was ebenfalls einen Vorteil bringt.

Letzteres ist zusätzlich noch als wesentlicher Vorteil gegenüber dem bekannten Stand der Technik zu werten (vergleiche DE-AS 1142 727 und Seiten 5 bis 7 des deutschen Buches »Zur Analyse und Synthese der Kurbelwellen mit kleinsten Massenmomenten bei Verbrennungsmotoren« von Hans Schrön, Franckh'sche Verlagshandlung, Stuttgart 1950), aus dem zwar Kurbelwellen für Fünfzylinder-Brennkraftmaschinen mit im Kurbelstern asymmetrischen Kröpfungen bekannt sind, nicht jedoch mit der für die Fertigung der Kurbelwelle günstigen Anordnung in nur drei Ebenen.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von zwei Skizzen erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 die Kröpfungen der erfindungsgeiräßen Kurbelwelle von der Seite,

Fig. 2 die Kröpfungen der Kurbelwelle nach Fig. 1 von der Stirnseite aus gesehen.

Die Kurbelwelle nach den F i g. 1 und 2 weist entsprechend den zu betätigenden Kolben fünf die Kurbelzapfen bildende Kröpfungen 1,2,3,4,5 auf, von denen die Kröpfungen 1 und 5 in einer Ebene 6, die Kröpfungen 2 und 4 in einer Ebene 7 und die Kröpfung 3 in einer Ebene 8 liegen. Die Ebenen 6 und 7 bilden zur Ebene 8 so jeweils eintn Winkel α von 105°. Es können verschiedene Zündfolgen gewählt werden. Nimmt man beispielsweise an, daß die Zylinder entsprechend den Kröpfungen 1, 4,3, S, 2 zünden, so entstehen Zündabstände von 150°, 105°, 105°, 150° und 210°.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kurbelwelle für Fünfzylinaer-Brennkraftmaschinen in Reihenanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kurbelzapfen bildenden Kröpfungen (1,2,3,4, S) in drei sich jeweils einseitig von der Kurbelwellenlingsachse aus erstreckenden Ebenen (6,7,8) angeordnet sind, daß eine Kröpfung (3) in einer Ebene (8) und jeweils zwei Kröpfungen (1.5; 2,4) in den beiden anderen Ebenen (6; 7) liegen, und daß die jeweils zwei Kröpfungen (1,5; 2,4) aufweisenden Ebenen (6; 7) je einen Winkel (a) von 105° zur dritten Ebene {8) bilden.

2. Kurbel welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und fünfte Kröpfung (1, S) in einer Ebene (6), die zweite und vierte Kröpfung (2, 4) in der zweiten Ebene (7) und die dritte Kröpfung (3) in der dritten Ebene (8) liegen.