DE3642487C2 - Einrichtung zum Ausgleich von Wechselmomenten - Google Patents

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 D_K(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 D_G(t) aufgeprägt, so daß der Drallsatz erfüllt ist:

D_K(t) +D_G(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 D_S(t) nach dem Drall­ satz

D_K(t) + D_G(t) + D_S(t) = konstant.

Bei entsprechender Auslegung des Schwungrades und dessen Antriebes kann sein Drall D_S(t) gerade entgegengesetzt und gleichgroß wie der aus dem Kurbel­ trieb herrührende Drall D_K(t) gemacht werden, so daß diese sich gegenseitig aufheben und damit auch der auf das Gehäuse wirkende Drall D_G(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.