DE3642487C2 - Einrichtung zum Ausgleich von Wechselmomenten - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Ausgleich von durch Gas-
oder Massenkräfte erzeugten Wechselmomenten um die Längsachse von Hubkolben
maschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bekanntlich treten beim Betrieb von Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen freie
Kräfte und Momente auf, die besonders durch die hin- und hergehenden Teile
der Kurbelwellenmaschine, wie Kolben, Pleuelstange und dergleichen verursacht
sind und die je nach Art der Maschine sowie nach Zahl und Anordnung der Kur
belkröpfungen der Kurbelwelle in mehr oder weniger großem Maße unausgeglichen
sind und damit das Laufverhalten und die Laufruhe der Hubkolbenmaschine wesent
lich beeinflussen. Bekannte Ausgleichsmaßnahmen dienen dazu, die freien Massen
kräfte bzw. freien Massenmomente um die Quer- und Hochachse der Kurbelwellen
maschine unter Verwendung von umlaufenden. Gegengewichten bzw. Gegengewichts
paaren auszugleichen. So ist beispielsweise eine als Lanchester-Ausgleich be
zeichnete Einrichtung zum Ausgleich der Massenkräfte II. Ordnung an Kurbel
wellenmaschinen, insbesondere an Vierzylinder-Viertakt-Reihenmotoren, bekannt,
bei der zwei mit Gegengewichten versehene, parallel zur Kurbelwelle im Kurbel
gehäuse angeordnete Nebenwellen in zueinander entgegengesetzter Richtung mit
doppelter Kurbelwellendrehzahl umlaufen.
Aus der DE-OS 24 23 134 ist eine Einrichtung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruch 1 entnehmbar. Es sollen hierbei jedoch keine Wechselmomente um die
Längsachse ausgeglichen werden.
Nun treten aber bei derartigen Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen infolge der
in ihnen wirksamen Gas- und Massenkräfte auch Wechselmomente um die Längsachse
der Kurbelwellenmaschine auf. So sind beispielsweise die Gaskräfte für das
Entstehen solcher Wechselmomente im unteren Drehzahl- und Lastbereich verant
wortlich. Dazu gehört zum Beispiel auch das bekannte Dieselschütteln im
Leerlauf. In oberen Drehzahl- und Lastbereichen zeigen sich dagegen Wechsel
momente infolge von Massenkräften.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine Aus
gleichseinrichtung zum Ausgleich solcher an Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen
auftretenden Wechselmomente zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich durch die in dem Kennzeichen des Patent
anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Danach wird der Ausgleich dieser Wechsel
momente durch eine Schwungmasse erzielt, die eine den Wechselmomenten ent
gegengerichtete oszillierende Drehbewegung ausführt. Dabei kann diese Schwung
masse, die durch ein an
der Stirnseite des Maschinengehäuses gelagertes Schwungrad gebildet ist,
entweder von der Kurbelwelle oder aber von einem gesonderten Antriebs
motor, beispielsweise einem Elektromotor, angetrieben werden, wobei der
Antrieb über einen Hubkurbeltrieb erfolgen kann. Die Schwungmasse und deren
Antrieb ist dabei so ausgelegt, daß das erzeugte Massenmoment in Gegenphase
zu dem von den Gas- und/oder Massenkräften der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine
erzeugten Wechselmoment schwingt. Dabei kann die Einrichtung so getroffen
sein, daß sie einen Ausgleich der im niedrigen Drehzahlbereich auftretenden
Wechselmomente durchführt, wobei dann zweckmäßigerweise in dem Antrieb eine
Einrichtung eingeschaltet ist, die beim Überschreiten einer vorgegebenen
Drehzahl den Antrieb unwirksam macht. Es ist jedoch auch ohne weiteres denk
bar, die Einrichtung zum Ausgleich der in oberen Drehzahlbereichen auftre
tenden, aus Massenkräften herrührenden Wechselmomente auszubilden.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
das im folgenden näher erläutert wird. Die Zeichnung zeigt in schematischer
Darstellungsweise in
Fig. 1 eine Seitenansicht einer beispielsweise für ein Personen
kraftfahrzeug vorgesehenen Hubkolben-Kurbelwellenmaschine
mit der erfindungsgemaßen Ausgleichseinrichtung und
Fig. 2 einen Schnitt durch eine in die Ausgleichseinrichtung in
tegrierte hydraulische Steuereinrichtung zur Veränderung
des Schwenkwinkels der Drehmasse.
In der Fig. 1 der Zeichnung ist mit 1 die Hubkolben-Kurbelwellenmaschine
insgesamt bezeichnet, die beispielsweise aus einem Vierzylinder-Viertakt-
Reihenmotor für ein Personenkraftfahrzeug bestehen kann. 2 stellt das Ma
schinengehäuse dieser Hubkolben-Kurbelwellenmaschine 1 dar, an dessen einer
Stirnseite als Schwungmasse ein Schwungrad 7 derart gelagert ist, daß seine
mit 10 bezeichnete Drehachse parallel zur Achse der mit 3 angegebenen Kurbel
welle der Kurbelwellenmaschine 1 gerichtet ist. Der Antrieb dieser Schwung
masse, die eine oszillierende Drehbewegung um die Drehachse 10 ausführen
soll, erfolgt über ein Getriebe, das hier als Hubkurbeltrieb ausgebildet
ist.
Dieser Hubkurbeltrieb besteht aus einem starr auf der Kurbelwelle 3 gehal
tenen Antriebsrad 4, das ein Zwischenrad 5 antreibt. Das Zwischenrad 5 ist
seinerseits über eine Hubstange 6 mit dem Schwungrad 7 verbunden. Die Hub
stange 6 ist sowohl an dem Zwischenrad 5 als auch an dem Schwungrad 7 exzen
trisch in Punkten 8 und 9 angelenkt, so daß bei einer Umdrehung des Zwischen
rades 5 das Schwungrad 7 eine oszillierende Drehbewegung um einen Schwenk
winkel ausführt, dessen Größe von der Exzentrizität der Anlenkung der Hub
stange 6 an dem Zwischenrad 5 bzw. dem Schwungrad 7 abhängt.
Die Zahnradübersetzung zwischen dem Antriebsrad 4 und dem Zwischenrad 5
ist so gewählt, daß die Frequenz der oszillierenden Drehbewegung des Schwung
rades 7 der auszugleichenden Momentenordnung entspricht. Bei Vierzylinder-
Viertakt-Motoren werden im allgemeinen Momente der II. Ordnung auszugleichen
sein. In diesen Fällen wird daher zwischen dem Antriebsrad 4 und dem Zwischen
rad 5 eine Übersetzung von 1 : 2 vorzusehen sein, so daß das Zwischenrad 5
mit der doppelten Drehzahl der Kurbelwelle 3 umläuft und dementsprechend
auch die Frequenz der oszillierenden Drehbewegung des Schwungrades doppelt
so groß ist wie die Frequenz der Kurbelwelle.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Ausgleichseinrichtung
soll der Einfachheit halber angenommen werden, daß die von außen auf das
Aggregat einwirkenden Kräfte und Momente, zum Beispiel aus dem Abtriebs
strang und dem Aggregatelager, konstant sein, so daß sie auf die Dynamik
des Systems keine Wirkung ausüben.
Infolge des Gasdruckverlaufs und der Kinematik des Kurbeltriebs erfährt
der Kurbeltrieb einen zeitlich veränderlichen Drall DK(t). Da von außen
keine zeitlich veränderlichen Momente auf das Aggregat wirken, muß der Gesamt
drall konstant sein, d. h. es wird dem Gehäuse ein Drall DG(t) aufgeprägt,
so daß der Drallsatz erfüllt ist:
DK(t) +DG(t) = konstant.
Wird nun ein Schwungrad eingeführt, dessen Drehachse parallel zur Achse
der Kurbelwelle liegt und das eine oszillierende Drehbewegung ausführt,
wobei keine äußeren Kräfte und Momente auf das Schwungrad wirken, ergibt
sich mit dem dabei erzeugten Drall des Schwungrades DS(t) nach dem Drall
satz
DK(t) + DG(t) + DS(t) = konstant.
Bei entsprechender Auslegung des Schwungrades und dessen Antriebes kann
sein Drall DS(t) gerade entgegengesetzt und gleichgroß wie der aus dem Kurbel
trieb herrührende Drall DK(t) gemacht werden, so daß diese sich gegenseitig
aufheben und damit auch der auf das Gehäuse wirkende Drall DG(t) zu Null
wird. Mit anderen Worten werden der auf das Gehäuse wirkende Drall und damit
die diesen Drall verursachenden Wechselmomente um die Längsachse der Hubkol
ben-Kurbelwellenmaschine beseitigt, wenn durch eine in Gegenphase zu den
Wechselmomenten des Kurbeltriebs oszillierend angetriebene Schwungmasse
ein Drall erzeugt wird, der den Drall des Kurbeltriebs aufhebt.
Um die Ausgleicheinrichtung nur jeweils in dem Drehzahl- und Lastbereich
wirksam werden zu lassen, in dem die auszugleichenden Wechselmomente besonders
spürbar sind, kann daran gedacht werden, in den Antrieb der Ausgleichseinrich
tung eine kraft- und/oder formschlüssige Kupplung, die beispielsweise in
Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder Leistung der Kurbelwellenmaschine
betätigt wird, einzuschalten.
Sollen beispielsweise die im niedrigen Drehzahlbereich durch die Gaskräfte
verursachten Wechselmomente ausgeglichen werden, könnte die Kupplung im
unteren Drehzahlbereich eingerückt und bei Überschreiten einer vorgegebenen
Maschinendrehzahl ausgerückt werden. Sollen dagegen eher die im oberen Dreh
zahlbereich anzutreffenden, durch das Wirken der Massenkräfte verursachten
Wechselmomente ausgeglichen werden, würde die Kupplung nur im oberen Dreh
zahlbereich eingerückt und im unteren Drehzahlbereich ausgerückt sein.
Besonders zweckmäßig wäre dabei eine Einrichtung, mit deren Hilfe die Wechsel
momente in beiden Drehzahlbereichen ausgeglichen werden könnten. Dabei ergibt
sich der erschwerende Umstand, daß zwischen den aus den Gaskräften und den
aus den Massenkräften resultierenden Wechselmomenten des Kurbeltriebs eine
Phasenverschiebung von 180° vorhanden ist. Bei Verwendung einer im Schwung
massenantrieb angeordneten Kupplung müßte diese Kupplung jeweils phasen
gesteuert zugeschaltet werden.
Eine andere Möglichkeit der steuerbaren Zuschaltung der Ausgleichseinrichtung
ist in der Fig. 2 der Zeichnung angedeutet. Die dort gezeigte Steuerein
richtung 11 ist als Kolben-Zylinder-Einheit ausgebildet und dient im wesent
lichen zur Veränderung des Schwenkwinkels des Schwungrades 7 durch Verstellung
der Exzentrizität eines der Anlenkpunkte 8 oder 9 der Hubstange 6, hier
des Anlenkpunktes 8 an dem Zwischenrad 5. Wenn die Exzentrizität ausgehend
von dem Wert Null nach beiden Seiten hin verstellt wird, kann auch eine
Phasenverschiebung von gerade 180° erzielt werden.
Die Steuereinrichtung 11 weist nun einen senkrecht zur Drehachse des Zwischen
rades 5 angeordneten Zylinder 12 auf, der mit einem Wellenzapfen 28 starr,
hier zum Beispiel einstückig, verbunden ist. Dieser Wellenzapfen 28 dient
dabei mit einem Bund 29 zur drehfesten Verbindung mit dem Zwischenrad 5
sowie gleichzeitig zur nicht weiter dargestellten Lagerung an der Stirnseite
des Maschinengehäuses.
In einer Bohrung 13 des Zylinders 12 gleitet ein Kolben 14, an dessen Kolben
hemd 14b ein durch einen Längsschlitz 16 des Zylinders 12 hinausragender
Zapfen 15 befestigt ist, der den in der Fig. 1 mit 8 angedeuteten Anlenkpunkt
der Hubstange 6 bildet. Der Zylinder 12 ist an seinem offenen Ende durch
einen Deckel 17 verschlossen, der mit einem zylindrischen Führungsdorn 18
in eine zentrische Innenbohrung 19 des Kolbens 14 hineinragt. Auf beiden
Seiten des Kolbenbodens 14a des Kolbens 14 werden gegenüber dem Führungs
dorn 18 bzw. dem Boden des Zylinders 12 Arbeitsräume 20 und 21 gebildet,
die nach außen durch Ringdichtungen 26 und 27 im Kolben 14 bzw. im Führungs
dorn 18 abgedichtet sind. Diese Arbeitsräume sind über Druckmittelleitun
gen 22 und 24, die zum Teil in dem Führungsdorn 18 bzw. dem Deckel 17 und
dem Zylinder 12 bzw. dem Wellenzapfen 28 verlaufen, mit Druckmittelanschlüs
sen 23 und 25 zur Zufuhr eines vorzugsweise hydraulischen Druckmittels ver
bunden. Durch Steuerung der Druckmittelzufuhr zu den Arbeitsräumen 20 und
21 kann nun die Stellung des Kolbens 14 in dem Zylinder 12 kontinuierlich
oder in Stufen verändert werden.
Mit einer solchen Verstellung des Kolbens 14, die bevorzugt in Abhängig
keit von der Drehzahl der Kurbelwellenmaschine gesteuert werden kann, wird
auch die Stellung des an dem Kolben 14 angebrachten Zapfens 15 in Bezug
auf die Drehachse des Zwischenrades 5 und damit die Exzentrizität des Anlenk
punktes 8 der Hubstange 6 und infolge dessen auch der Schwenkwinkel der
oszillierenden Drehbewegung des Schwungrades 7 verändert.
Bei dem in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Kolben 14
nur zwischen der eingezeichneten ersten Endstellung, in der die größte Exzen
trizität des Anlenkpunktes 8 erreicht ist, und einer zweiten Endstellung
mit der Exzentrizität Null verstellt werden, bei der die Achse des Zapfens
15 mit der Achse des Wellenzapfens 28 zusammenfällt.
Bei entsprechender Umgestaltung der Verstelleinrichtung 11, beispielsweise
durch Verlängerung des Kolbens 14 und des Führungsschlitzes 16 kann jedoch
dafür gesorgt werden, daß der Kolben über die Stellung mit der Exzentrizi
tät Null hinaus nach der anderen Seite hin verstellbar ist. Bei dieser Um
kehr der Exzentrizität des Anlenkpunktes ergibt sich dann gegenüber der
in der Fig. 2 eingetragenen Stellung eine Phasenwinkeländerung für die
Schwenkbewegung des Schwungrades 7 von 180°, was gerade der Phasenwinkel
differenz zwischen den durch Gaskräften und den durch Massenkräften ange
regten Wechselmomenten des Kurbeltriebs der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine
entspricht.
Die Verstelleinrichtung 11 müßte beim Betrieb der Kurbelwellenmaschine so
gesteuert werden, daß in den Drehzahl- und/oder Leistungsbereichen, in denen
ein Ausgleich der Wechselmomente des Kurbeltriebs nicht erwünscht oder nicht
erforderlich ist, der Kolben 14 die Stellung mit der Exzentrizität Null
einnimmt, so daß das Schwungrad 7 nicht angetrieben wird. Gelangt dann die
Kurbelwellenmaschine in solche Betriebsbereiche, in denen ein Ausgleich
der Wechselmomente erwünscht ist, dann wird der Kolben der Verstelleinrichtung
in die eine oder andere Richtung zur Vergrößerung der Exzentrizität und
damit zum oszillierenden Antrieb des Schwungrades 7 verstellt, wobei
die Richtung der Exzentrizitätsverstellung von der Art der auszugleichenden
Wechselmomente abhängt, nämlich davon, ob diese Wechselmomente durch die
Gaskräfte der Hubkolbenmaschine oder durch deren Massenkräfte verursacht
sind.
Claims (10)
1. Einrichtung zum Ausgleich von durch Gas- oder Massenkräfte erzeugten
Wechselmomenten um die Längsachse von Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen,
die jeweils eine in einem feststehenden Maschinengehäuse gelagerte und
mit Hubkolben verbundene Kurbelwelle aufweisen, wobei
eine an dem Maschinengehäuse um eine parallel zur Achse der Kurbel
welle angeordnete Drehachse gelagerte Schwungmasse vorgesehen
ist, die zur Ausführung einer mit einer der auszugleichenden Momenten
ordnung entsprechenden Frequenz oszillierenden Drehbewegung antreibbar
ist, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schwungmasse durch ein an der Stirnseite des Maschinengehäuses
(2) gelagertes Schwungrad (7) gebildet ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungmasse
(7) von der Kurbelwelle (3) antreibbar ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungmasse
von einem gesonderten, an dem Maschinengehäuse abgestützten Antriebs
motor antreibbar ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hub
kurbeltrieb (4-6) zum Antrieb der Schwungmasse (7) vorgesehen ist.
5. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Hubkurbeltrieb ein von einem auf der Kurbelwelle (3) der Hubkolben-
Kurbelwellenmaschine (1) gehaltenen Antriebsrad (4) angetriebenes Zwischen
rad (5) aufweist, das über eine beidseitig exzentrisch angelenkte Hub
stange (6) mit der Schwungmasse (7) verbunden ist.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Antrieb der Schwungmasse (7) eine abschaltbare Kupplung vor
gesehen ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung
in Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder Leistung der Kurbelwellenma
schine betätigbar ist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Vorrichtung (11) zur Verstellung des Schwenkwinkels der oszillie
renden Drehbewegung der Schwungmasse (7) vorgesehen ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver
stellvorrichtung (11) als Vorrichtung zur Verstellung der Exzentrizität
wenigstens einer Anlenkstelle (8, 9) der Hubstange (6) ausgebildet ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstell
vorrichtung (11) eine an dem Zwischenrad (5) oder Schwungrad (7) senk
recht zu dessen Drehachse gehaltene, hydraulisch betätigbare Kolben-Zylin
der-Einheit (12, 14) aufweist, an deren Kolben (14) ein den Anlenkpunkt
für die Hubstange (6) bildender Zapfen (15) befestigt ist.
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