DE3102154C2 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Brennkraftmaschine

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DE3102154C2 DE3102154A DE3102154A DE3102154C2 DE 3102154 C2 DE3102154 C2 DE 3102154C2 DE 3102154 A DE3102154 A DE 3102154A DE 3102154 A DE3102154 A DE 3102154A DE 3102154 C2 DE3102154 C2 DE 3102154C2
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Abstract

Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine vollständige Eliminierung der durch bewegte Maschinenelemente entstehenden Wirkungen aus Massenkräften 1. Ordnung bei kompaktem Aufbau der Maschine zu schaffen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß mit der Kurbelwelle unmittelbar oder mittelbar Ausgleichsgewichte verbunden sind, die neben der zum Ausgleich der rotierenden Fliehkräfte erforderlichen Unwuchtmasse noch zusätzlich die Hälfte der zum Ausgleich der oszillierenden Fliehkräfte 1. Ordnung erforderlichen Unwuchtmasse aufweisen, und daß zwei von der Kurbelwelle angetriebene und zu ihr parallele Ausgleichswellen vorgesehen sind, die in gleichem Drehsinn zueinander, aber im Gegensinn zur Kurbelwelle laufen, wobei jede von diesen Wellen ein weiteres Ausgleichsgewicht trägt, das ein Viertel der zu Ausgleich der oszillierenden Fliehkräfte 1. Ordnung erforderlichen Unwuchtmasse darstellt.

Description

rende Moment in Bezug auf die Pleuelbewegungsebene ausgleichen.
In der nachstehenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes anhand von Zeichnungen erläutert Es zeigt:
F i g. 1 eine Brennkraftmaschine im Querschnitt,
F i g. 2 einen Längsschnitt nach Linie I-I mit eingefügtem Teilschnitt nach Linie 11-11 der Fig. 1,
Fig.3—7 einige Relativstellungen der Kurbelwelle zu den Ausgleichsgewichten an Ausgleichswellen,
Fig.8 dk in Ansicht mit teilweisem Schnitt dargestellte Kurbelwelle im vergrößerten Maßstab, und
F i g. 9 einen Querschnitt der Kurbelwelle nach Linie III-IIIderFig.8.
Im Ausführungsbeispiel ist eine einzylindrige, luftgekühlte Brennkraftmaschine dargestellt. Sie umfaßt ein Kurbelgehäuse 50, einen Zylinder 12, einen Zylinderkopf 14 und einen Zylinderkopfdeckel 16. Diese Aufbauelemente sind mit Hilfe von nicht dargestellten Schrauben miteinander fest verbunden. Der im Zylinder 12 hin- und hergehende Kolben 18 ist über eine Pleuelstange 20 mit der Kurbelwelle 22 in bekannter Weise gekuppelt, die im Kurbelgehäuse 10 gelagert ist.
Auf der Kurbelwelle 22 ist ein Schwungrad 24 befestigt, das in vorliegendem Falle als Gebläserad eines Kühlluft-Gebläses gestaltet ist und die Kühlluft durch einen Leitkanal 26 gegen den Zylinder 12 und Zylinderkopf 14 fördert. Die der Maschine abgewendete Stirnseite des Schwungrades 24 kann in bekannter Weise zum Antrieb von Aggregaten benutzt werden.
Es ist bekannt, daß während des Betriebes einer Hi.bkolben-Brennkraftmaschine am Kurbeltriebwerk Trägheitskräfte auftreten, die durch eine Ausgleichsanordnung abgefangen werden müssen, um nicht als freie Kräfte oder Momente auf das Maschinenfundament einwirken und unerwünschte Schwingungen oder Erschütterungen erzeugen zu können. Zu Trägheitskräften sind zu zählen: die Trägheitskraft umlaufender (rotierender) Maschinenelemente (wie Kurbelschenkel, Kurbelzapfen, rotierender Anteil der Pleuelstange) sowie Trägheitskraft hin- und hergehender (oszillierender) Maschinenelemente (wie Kolben, oszillierender Anteil von Pleuelstange).
Die Trägheitskraft aus den rotierenden Elementen tritt auf als umlaufende, gleichbleibende und stets nach außen wirkende Fliehkraft (Frot), deren Größe sich aus der Formel ergibt
Fro, = m„, ■ ώ2 ■ r(N)
wobei
die Masse der rot. Elemente,
die Winkelgeschwindigkeit,
der K.urbelr5dius bedeuten.
Die Trägheitskraft der oszillierenden Elemente ist eine stets in Zylinderachse wirksame, periodisch veränderliche Fliehkraft, ihre maximale Größe in der I.Ordnung ergibt *ich nacl1 der Formel
Fm, = n\,w ■ to2 r (N)
wobei
m„w die Masse der osz. Elemente,
ω die Winkelgeschwindigkeit,
r der Kurbcl'adius bedeuten.
50
55
60
b5 Nach F i g. 1 und 2 befindet sich der Kolben 18 im OT und die nach oben wirkenden Fliehkräfte sind in F i g. 2 als zwei mit Pfeilen gekennzeichnete, in der Zylinderachse liegende Größen Fro, und Fosz eingetragen. Wenn ein vollständiger Ausgleich der unerwünschten Wirkungen aus den Trägheitskräften 1. Ordnung erreicht werden soll, dann muß mit Hilfe der Ausgleichsanordnung eine entgegengerichtete Kraft gleicher Größe erzeugt werden. Es dürfen dabei auch keine freien Momente, insbesondere um die waagrechte Achse erzeugt werden.
Die erfindungsgemäß gestaltete Ausgleichsanordnung umfaßt deshalb ein an der linken Kurbelwellen-Wange angebrachtes Gewicht G1, dessen Fliehkraft mit einem Pfeil in F i g. 2 angedeutet ist Außerdem sind am Schwungrad 24 zwei weitere Gewichte G 2 und G 3 angebracht, deren Fliehkräfte als Pfeile F2 und F3 angedeutet sind. (Die in der Zeichnung strichpunktiert eingetragenen Ausgleichsgewichte G 2 und G 3 werden in Wirklichkeit dargestellt durch an entgegengesetztem Bereich des Schwungrades 24 vorgesehene Ausbohrungen B 2 und B 3.)
Die Anordnung ist dabei in der Weise getroffen, daß die mit der Kurbelwelle 22 unmittelbar oder mittelbar verbundenen Ausgleichsgewichte Gl, C 2, G 3 neben der zum Ausgleich der rotierenden Trägheitskräfte Fmt erforderlichen Unwuchtmasse noch zusätzlich die Hälfte (V2 Fo5J der zum Ausgleich erforderlichen oszillierenden Größe Fosz darstellen. (Die andere Hälfte von Fosz wird mit Hilfe einer später beschriebenen weiteren Ausgleichsanordnung erreicht.) Dabei muß gewährlei 1+Fn, = F,+ F2-
stet sein:
(V2F057-I-F^)-O = F1 ■ e+F2f-F3g=0
Als e, f, g sind Hebelarme bzw. Entfernungen der Gewichte G 1, G 2, G 3 zur Zylinderachse in der Zeichnung eingetragen.
Wie vorstehend erwähnt, wird die zweite Hälfte von Fos, mittels einer weiteren Ausgleichsanordnung erreicht, die zwei gleiche Ausgleichswellen 28 umfaßt, deren jede im Kurbelgehäuse 10 und einem Lagerdeckel 30 in gleichem Abstand und parallel zur Kurbelwelle 22 gelagert ist. Im Darstellungsfalle liegen daher die Wellen 22 und 28 in einer Ebene.
Ein auf der Kurbelwelle 22 festsitzendes Antriebsrad 32 greift in ein Gegenrad 34 auf jeder Ausgleichswelle 28 ein und treibt somit die beiden Wellen 28 in gleichern Drehsinn zueinander, jedoch im Gegensinn zur Kurbelwelle 22 an. Das Antriebsrad 32 auf der Kurbelwelle 22 greift noch in ein weiteres Gegenrad 36 ein, das auf einer Steuerwelle 38 festsitzt, deren Nocken zum Antrieb der die Ventil-Kipphebel betätigenden Stößel 40 dient.
Auf jeder Ausgleichswelle 28 ist ein Ausgleichsgewicht G 4 angebracht, welches in den Kurbel-Rotationsbereich zwischen dem rechten Hauptlager und dem Pleuellager der Kurbelwelle 22 hineinragt. Um diesen Eingriff zu ermöglichen, sind an der Kurbelwelle 22 in ihrem rechten Schenkel eine innere Ausnehmung 22a und eine äußere Ausnehmung 22b eingearbeitet. Bei Drehbewegungen der Kurbelwelle 22 laufen diese Ausnehmungen 22a und 22b abwechselnd an beiden Ausgleichsgewichten G 4 vorbei. Auf diese Weise können die Drehbewegungen der Gewichte G 4 und die Dreh-
bewegung der Kurbelwelle 22 ohne gegenseitige Behinderung ablaufen, wie die Betriebsstellungen der genannten Elemente nach F i g. 3 — 7 erkennen lassen.
Jede Ausgleichswelle 28 trägt noch an dem dem Dekkel 30 zugewandten Ende ein kleineres Zusatz-Ausgleichsgewicht G 5, welches auf der Ausgleichswelle 28 dem größeren Gewicht G 4 entgegenwirkt und dessen Moment ausgleicht.
Der Ausgleich der zweiten Hälfte von Fmy wird dabei sowohl bezüglich der Trägheitskräfte als auch der Momente sichergestellt, wenn die Gleichungen erfüllt sind:
ViFo»-2(F4-Fi)
oder
1Z2 Fost+2F5-2 Fa = O
(V2F01J-O = 2(F4- h-Fs-i)*=O
Auch hier sind h und /als Hebelarme bzw. Entfernungen der Gewichte G 4 und G 5 zur Zylinderachse anzusetzen.
Bei der beschriebenen Anordnung der Ausgleichsgewichte G 1, G 2, G 3 und G 4, G 5 und ihrer aufgezeigten Berechnung erreicht man eine Ausgleichsanordnung, die bei gedrungener Gestaltung der Kurbelwelle und folglich auch raumgedrängter Bauart der Maschine einen vollen Ausgleich der Trägheitskräfte 1. Ordnung und deren Momente gewährleistet.
Abschließend soll noch darauf hingewiesen werden, daß in bestimmten Betriebsfällen die beiden Zusatz-Ausgleichsgewichte G 5 weggelassen werden können, weil die beiden verbleibenden Ausgleichsgewichte G 4, die mit den Ausnehmungen an der Kurbelwelle zusammenarbeiten, so nahe an die Zylinderachse herangerückt sind, daß das nach Wegfall der Gewichte G 5 verbleibende Moment sehr gering ist und in der Praxis vernachlässigt werden kann.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
40
55
60
65

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Einzylindrige Brennkraftmaschine mit Kurbelwelle, Pleuelstange und Kolben, sowie mit einer Ausgleichsgewichtsanordnung, die zum Ausgleich der aus rotierenden Massen resultierenden Trägheitskräfte und aus oszillierenden Massen resultierenden Trägheitskräfte 1. Ordnung dient, wobei mit der Kurbelwelle unmittelbar oder mittelbar Ausgleichswerte verbunden sind, die neben der zum Ausgleich der rotierenden Trägheitskräfte erforderlichen Unwuchtmasse noch zusätzlich die Hälfte der zum Ausgleich der oszillierenden Trägheitskräfte 1. Ordnung erforderlichen Unwuchtmasse besitzen und wobei zwei von der Kurbelwelle angetriebene und zu ihr parallele Ausgleichiwellen vorgesehen sind, die im gleichen Drehsinn zueinander, aber im Gegensinn zur Drehung der Kurbelwelle rotieren, wobei jede von diesen Ausgleichswellen ein Ausgleichsgewicht trägt, das ein Viertel der zum Ausgleich der oszillierenden Trägheitskräfte 1. Ordnung erforderlichen Unwuchtmasse darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß sich die mit der Kurbelwelle (22) verbundenen Ausgleichsgewichte (G 1, G 2, G 3) auf der einen Seite der Pleuelbewegungsebene befinden, während die von den Ausgleichswellen (28) getragenen Ausgleichsgewichte (G 4, G 5) auf der anderen Seite dieser Bewegungsebene angeordnet sind.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Ausgleichswellen (28) getragenen Ausgleichsgewichte (G 4) in unmittelbarer Nähe der Pleuelbewegungsebene liegen.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ausgleichsgewicht (G 4) mit in der Kurbelwelle (22) vorgesehenen Ausnehmungen (22a, 22b) derart zusammenarbeitet, daß während der Drehbewegung der Kurbelwelle ihre Ausnehmungen abwechselnd den Durchgang des jeweiligen Ausgleichsgewichts (G 4) der beiden Ausgleichswellen (28) freigeben.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Ausgleichswelle (28) axial außerhalb des Bereichs der Kurbelwellenkröpfung ein Zusatzausgleichswert (G 5) angeordnet ist, welches entgegen dem Ausgleichsgewicht (G 4) wirkt und dessen Moment in Bezug auf die Pleuelbewegungsebene ausgleicht.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, mit einem von der Kurbelwelle angetriebenen Schwungrad, dadurch gekennzeichnet, daß die der Kurbelwelle (22) zugeordneten Ausgleichsgewichte (G 1, G 2, G 3) auf der dem Schwungrad (24) zugekehrten Seite der Pleuelbewegungsebene angeordnet sind und daß die mit der Kurbelwelle verbundene Unwuchtmasse aus einem unmittelbar mit der Kurbelwelle verbundenen Ausgleichsgewicht (G 1) und mindestens einem Ausgleichsgewicht (G 2) besteht, das an dem Schwungrad angeordnet ist.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein am Schwungrad (24) angelegtes Zusatzausgleichsgewicht (G 3) den Ausgleichsgewichten (G 1, G 2) entgegenwirkt und das resultierende Moment in Bezug auf die Pleuelbewegungsebene ausgleicht.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.
Es ist bei großen Maschinen dieser Art allgemein bekannt, Gegengewichtsanordnungen zu verwenden und in mannigfaltigsten Ausführungen zu gestalten (z.B. DE-PS 21 47 213). Auch wurde bei einer kleinen, zum Antrieb einer ortsbeweglichen Handkettensäge dienenden Maschine (US-PS 37 59 238) eine Ausgleichsanordnung mit zwei auf der Kurbelwelle sitzenden Gegengewichten vorgeschlagen, deren jedes auf einer anderen Seite der Pleuelbewegungsebene angeordnet ist. Die mit den Ausgleichsgewichten ausgerüsteten zwei Ausgleichswellen dieser Anordnung sind dabei diagonal zur Kurbelwelle derart versetzt, daß sich jedes ihrer Ausgleichsgewichte ebenfalls auf einer anderen Seite der Pleuelbewegungsebene befindet
Solche Ausgleichsanordnungen sind jedoch sehr nachteilig, weil die auf beiden Seiten der Pleuelbewegungsebene verteilten Ausgleichselemente zu einer beträchtlichen Vergrößerung sowohl der Baubreite als auch der Bauhöhe in der Maschine führen und demzufolge einen erheblich größeren Maschinen-Einbauraum erfordern. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile der bekannten Ausgleichsanordnungen zu beseitigen. Erfindungsgemäß befinden sich die mit der Kurbelwelle verbundenen Ausgleichsgewichte auf der einen Seite der Pleuelbewegungsebene, während die von den Ausgleichswellen getragenen Ausgleichsgewichte auf der anderen Seite dieser Bewegungsebene angeordnet sind. Diese Anordnung bringt den wesentlichen Vorteil, daß man die auf der einen Seite der Bewegungsebene wirkenden Ausgleichsgewichte als auch die auf der anderen Seite der Bewegungsebene angebrachten Ausgleichsgewichte frei und ohne gegenseitige Behinderung gestalten bzw. verteilen kann.
Es ist auch vorteilhaft, die von den Ausgleichswellen getragenen Ausgleichsgewichte in unmittelbarer Nähe der Pleuelbewegungsebene anzuordnen. Auf diese Weise wird die axiale Breite der Ausgleichsanordnung noch weiter verringert. Die Anordnung in unmittelbarer Nähe der Pleuelbewegungsebene wird nach einem besonderen Erfindungsmerkmal dadurch erreicht, daß jedes Ausgleichsgewicht mit in der Kurbelwelle vorgesehenen Ausnehmungen derart zusammenarbeitet, daß während der Drehbewegung der Kurbelwelle ihre Ausnehmungen abwechselnd den Durchgang des jeweiligen Ausgleichsgewichtes der beiden Ausgleichswellen freigeben.
Es ist nach einem anderen Erfindungsmerkmal sehr vorteilhaft, auf jeder Ausgleichswelle axial außerhalb des Bereiches der Kurbelwellenkröpfung ein Zusatzausgleichsgewicht anzuordnen, welches entgegen dem Ausgleichsgewicht wirkt und dessen Moment in Bezug auf die Pleuelbewegungsebene ausgleicht.
Bei Brennkraftmaschinen mit einem von der Kurbelwelle angetriebenen Schwungrad kann man die erfindungsgemäße Anordnung der Ausgleichseinrichtung auch in der Weise weiter ausgestalten, daß man die der Kurbelwelle zugeordneten Ausgleichsgewichte auf der dem Schwungrad zugekehrten Seite der Pleuelbewegungsebene anordnet und dabei die mit der Kurbelwelle verbundene Unwuchtmasse aus einem unmittelbar mit der Kurbelwelle verbundenen Ausgleichsgewicht und mindestens einem Ausgleichsgewicht bildet, das an dem Schwungrad angeordnet ist. Auch kann hierbei ein am Schwungrad angelegtes Zusatzausgleichsgewicht den Ausgleichsgewichten entgegenwirken und das resultie-
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