DE3913741A1

DE3913741A1 - Brennkraftmaschine mit massenausgleich-einrichtung

Info

Publication number: DE3913741A1
Application number: DE19893913741
Authority: DE
Inventors: Max Dipl Ing Anetzberger
Original assignee: Motorenfabrik Hatz GmbH and Co KG
Current assignee: Motorenfabrik Hatz GmbH and Co KG
Priority date: 1989-04-26
Filing date: 1989-04-26
Publication date: 1990-10-31
Also published as: DE3913741C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Massenausgleich der oszillierenden Massen 1. Ordnung der mit der Kurbelwelle gekuppelten Maschinenelemente, wobei eine Hälfte der Massenkräfte durch ein an der Kurbelwelle angreifendes Gegengewicht und die andere Hälfte der Massenkräfte durch zwei Unwuchten ausgeglichen wird, die beiderseits der Kurbelwelle gelagert sind und untereinander in gleichem Drehsinne und zur Kurbelwelle in entgegengesetztem Drehsinne angetrieben werden.

Ein solcher Massen-Ausgleich ist beispielsweise in DE-PS 31 02 154 beschrieben, wobei hier die Achsen der symmetrischen Unwuchten und die Achse der Kurbelwelle in gleicher Ebene liegen. Es hat sich gezeigt, daß es bei Einrichtungen dieser Art schwierig ist, die Anordnung der Unwuchten zur Kurbelwelle in der erforderlichen Relativstellung vorzunehmen, um die gewünschte Ausgleichswirkung erreichen und gegebenenfalls den jeweiligen Betriebsverhältnissen anpassen zu können.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, diesen Nachteil zu beseitigen und eine Massenausgleich-Einrichtung zu schaffen, deren Anordnung zur Kurbelwelle sehr einfach durchführbar ist und deren Wirkung zugleich den gegebenen Betriebsverhältnissen in gewünschter Weise angepaßt werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede Unwucht derart gestaltet ist, daß sie zu einer durch ihren Schwerpunkt und Drehpunkt gehenden Ebene unsymmetrisch ist, und daß die Verbindungslinie zwischen Schwerpunkt und Drehpunkt jeder Unwucht in OT-Stellung des Kolbens zu einer die Achsen von Kurbelwelle und Kolben einschließenden Ebene zugeneigt ist, so daß die Wirkungslinie der aus den beiden Unwucht-Fliehkräften während des Betriebes resultierenden Fliehkraft stets durch einen im Raum feststehenden Fixpunkt geht. Bei gleicher Bemessung der Massen beider Unwuchten und ihrer Abstände zur Achse der Kurbelwelle wird erreicht, daß der Fixpunkt in dieser Achse liegt. Hierbei wird die Einrichtung einen vollen Ausgleich der Massenkräfte sicherstellen, also ein Null-Ausgleich erreicht.

Wenn jedoch unter bestimmten Betriebsverhältnissen eine geringfügige Abweichung vom Null-Ausgleich angestrebt wird, dann können die Massen und/oder Abstände der Unwuchten zur Kurbelwellen-Achse verschieden groß bemessen sein, so daß der Fixpunkt außerhalb der Kurbelwellen-Achse liegt.

Bei allen Ausführungsformen der Erfindung liegen die beiden Unwuchten an der dem Kolben abgewendeten Seite der Kurbelwelle, und ihre Achsen sind sowohl in waagerechter als auch senkrechter Richtung im Abstand zur Kurbelwellen-Achse angeordnet.

In der nachstehenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes beschrieben. Hierbei zeigt

Fig. 1 die Maschine im durch die Zylinderachse gehenden Querschnitt,

Fig. 2 einen Längsschnitt nach Linie I-I der Fig. 1,

Fig. 3 eine Einzelheit nach Fig. 2 und

Fig. 4-7 die Unwuchten der Ausgleichseinrichtung in verschiedenen Betriebsstellungen.

In Fig. 1 und 2 ist eine einzylindrige, luftgekühlte Brennkraftmaschine dargestellt. Sie umfaßt ein Kurbelgehäuse 10, einen Zylinder 12, einen Zylinderkopf 14 und einen Deckel 16. Diese Aufbauelemente sind mit Hilfe nicht dargestellter Schrauben untereinander zu einem Maschinenblock verbunden. Der im Zylinder 12 bewegliche Kolben 18 ist mit einer Pleuelstange 20 gekuppelt, die in bekannter Weise an der Kurbelwelle 22 angreift, die im Kurbelgehäuse 10 gelagert ist. Auf der Kurbelwelle 22 ist ein Schwungrad 24 befestigt, das im vorliegenden Falle als Gebläserad eines Kühlluft-Gebläses gestaltet ist und die Kühlluft durch einen Leitkanal 26 gegen den Zylinder 12 und Zylinderkopf 14 fördert.

Es ist bekannt, daß während des Betriebes einer Hubkolben- Brennkraftmaschine am Kurbeltriebwerk Trägheitskräfte auftreten, die durch eine Ausgleichseinrichtung 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 Trägheit umlaufender (rotierender) Maschinenelemente (wie Kurbelschenkel, Kurbelzapfen, rotierender Anteil der Pleuelstange) sowie Trägheit 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 (F _rot), deren Größe sich aus der Formel ergibt

F _rot = m _rot · r · ω²

wobei

m _rot die Masse der rot. Elemente
ω die Winkelgeschwindigkeit
r den Kurbelwellenradius

bedeuten.

Die Trägheitskraft der oszillierenden Elemente ist eine stets in Zylinderachse wirksame, periodisch veränderliche Fliehkraft. Ihre maximale Größe in der 1. Ordnung ergibt sich nach der Formel

F _osz = m _osz · r · ω²

wobei

m _osz die Masse der osz. Elemente,
ω die Winkelgeschwindigkeit,
r den Kurbelwellenradius

bedeuten.

Nach Fig. 1 und 2 befindet sich der Kolben 18 im OT, und die nach oben wirkenden Fliehkräfte sind in Fig. 2 als zwei mit Pfeilen gekennzeichnete, in der Zylinderachse liegende Größen F _rot und F _osz eingetragen. Wenn ein vollständiger Ausgleich der unerwünschten Wirkungen aus den Trägheitskräften 1. Ordnung erreicht werden soll, dann muß mit Hilfe der Ausgleichseinrichtung eine entgegengerichtete Kraft gleicher Größe erzeugt werden. Es dürfen dabei auch keine freien Momente, insbesondere um die waagerechte Achse, erzeugt werden.

Die hierfür vorgesehene Ausgleichseinrichtung umfaßt ein an der linken Kurbelwellen-Wange angebrachtes Gegengewicht G, dessen Fliehkraft F _g in Fig. 2 mit einem Pfeil angedeutet ist. Das Gegengewicht G besitzt eine derart große Masse, daß es neben der zum Ausgleich der rotierenden Trägheitskräfte F _rot noch zusätzlich die Hälfte der oszillierenden Größe F _osz ausgleichen kann (1/2 F _osz). Dabei muß gewährleistet sein:

1/2 F _osz + F _rot = F _g

bzw.

1/2 F _osz + F _rot - F _g = 0
(1/2 F _osz + F _rot) · 0 = F _g · e

Als e ist der Hebelarm bzw. die Entfernung des Gegengewichtes G zur Zylinderachse in Fig. 2 eingetragen.

Der Ausgleich der zweiten Hälfte von F _osz wird mit Hilfe einer Ausgleichseinrichtung erreicht, die zwei gleiche Unwuchtwellen 28 mit gleichen Unwuchten U₁ und U₂ umfaßt. Jede Unwuchtwelle ist im Kurbelgehäuse 10 und einem Lagerdeckel 30 im gleichen Abstand und parallel zur Kurbelwelle 22 gelagert. Ein auf der Kurbelwelle 22 festsitzendes Antriebsrad 32 greift in ein Zahnrad 34 ein, das zwei seitlich gelagerte Zwischenräder 36 antreibt. Auf jeder Unwuchtwelle 28 ist ein Zahnrad 38 befestigt, das mit dem zugeordneten Zwischenrad 36 zusammenspielt. Die beiden Unwuchten U₁ und U₂ bewegen sich somit im gleichen Drehsinn, jedoch im Gegensinn zur Kurbelwelle 22. Um eine ungehinderte Drehbewegung der Unwuchten unterhalb der rotierenden Kurbelwelle zu ermöglichen, sind am rechten Schenkel der Kurbelwelle 22 eine innere Ausnehmung 22 a und eine äußere Ausnehmung 22 b eingearbeitet.

Die Unwuchten U₁ und U₂ besitzen gleich große Massen und sind auf ihren Wellen 28 derart angebracht, daß sie zu einer durch die Kurbelwellen-Achse gehenden senkrechten Ebene spiegelbildlich sind. Dabei besitzt jede Unwucht eine zur Verbindungslinie zwischen Drehpunkt D und Schwerpunkt S eine unsymmetrische Gestalt, und zwar in der Art, daß die Verbindungslinien D-S beider Unwuchten U₁ und U₂ in der in Fig. 1 und 2 dargestellten OT-Stellung des Kolbens 18 um jeweils den gleichen Winkel α einander zugeneigt sind (Fig. 4).

Es sei angenommen, daß sich die Kurbelwelle 22 entgegen dem Uhrzeigersinne dreht, so daß die Unwuchten U₁ und U₂ im Uhrzeigersinne auf Drehbewegung angetrieben werden. Die hierbei im Schwerpunkt S jeder Unwucht erzeugte Fliehkraft sei mit F _u angenommen. Dabei ist der waagerechte Abstand A zur Kurbelwellen-Achse, also der Abstand zwischen O und D, bei jeder Unwucht gleich und der senkrechte Abstand zwischen dem Drehpunkt D und der Kurbelwellen-Achse, also der Abstand O-Z, mit B bezeichnet.

In Fig. 4 bis 7 sind verschiedene Stellungen der Unwuchten U₁ und U₂ bei ihren Drehbewegungen um ihre Drehpunkte D dargestellt. Fig. 4 zeigt die Elemente in OT-Stellung des Kolbens 18. Die Fig. 5, 6 und 7 zeigen die Positionen der Elemente nach etwa 145°, 180° bzw. 290° der Winkelbewegung aus der Lage nach Fig. 4. Es ist ersichtlich, daß in jeder Lage der Elemente die aus den beiden Fliehkräften F _u resultierende Gesamt-Fliehkraft F _r stets mit ihrer Wirkungslinie durch den Punkt Z geht, so daß dieser Punkt als Fixpunkt bezeichnet werden kann. Die Gesamt-Fliehkraft F _r erzeugt somit kein schädliches Drehmoment relativ zur Kurbelwellen-Achse.

Die rechnerische Ermittlung des von der Fliehkraft F _r erzeugten Momentes kann dabei nach der Gleichung erfolgen:

M _r = 2 F _u · sin ω t · [A · sinα - B · cosα].

Hierbei sind ω die Winkelgeschwindigkeit und ω t der Drehwinkel der Unwucht nach einer bestimmten Zeitspanne t. Der volle Ausgleich der zweiten Hälfte von F _osz wird erreicht, wenn die Gleichung erfüllt ist:

1/2 F _osz = F _r bzw. 1/2 F _osz - F _r = 0

hinsichtlich der Fliehkräfte und

(1/2 F _osz) · 0 = F _r · f = 0

hinsichtlich der Momente. Als f ist der Hebelarm bzw. Entfernung jeder Unwucht zur Zylinderachse in Fig. 2 eingetragen.

Die beschriebene Ausgleichseinrichtung mit Gewichten G und U stellt eine Anordnung dar, die bei gedrungener Gestaltung der Kurbelwelle und folglich auch raumgedrängter Bauart der Maschine einen vollen Ausgleich der Trägheitskräfte 1. Ordnung und deren Momente gewährleistet.

Es kann jedoch in bestimmten Betriebsfällen vorteilhaft sein, auf einen vollen Ausgleich zu verzichten und durch Variation mindestens einer der Größen A, B, α bzw. der Masse der Unwuchten den Fixpunkt geringfügig aus der Achse der Kurbelwelle zu verschieben. Bei solcher Anordnung wird die resultierende Fliehkraft F _r ein geringfügiges Moment zur Achse der Kurbelwelle erzeugen. Durch gezielte Festlegung dieses so verschobenen Fixpunktes kann dann beispielsweise das von der resultierenden Fliehkraft erzeugte Moment auch noch zum Ausgleich eines vom Kolben erzeugten Momentes benutzt werden, z. B. das Moment, welches durch die auf den Kolben nach der Kraftstoff-Zündung einwirkende Expansionskraft (Gaskraft) oder dessen Massenkraft erzeugt wird.

Claims

1. Brennkraftmaschine mit Kolben und Kurbelwelle und mit einer Einrichtung zum Massenausgleich der oszillierenden Massen 1. Ordnung der mit der Kurbelwelle gekuppelten Maschinenelemente, wobei eine Hälfte der Massenkräfte durch ein an der Kurbelwelle angreifendes Gegengewicht und andere Hälfte der Massenkräfte durch zwei Unwuchten ausgeglichen wird, die beiderseits der Kurbelwelle gelagert sind und untereinander im gleichen Drehsinne und zur Kurbelwelle im entgegengesetzten Drehsinn angetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß jede Unwucht (U₁; U₂) derart gestaltet und gelagert ist, daß sie zu einer durch ihren Schwerpunkt (S) und Drehpunkt (D) gehenden Ebene unsymmetrisch ist, und daß die Verbindungslinie zwischen Schwerpunkt und Drehpunkt jeder Unwucht in OT-Stellung des Kolbens (18) zu einer die Achsen von Kurbelwelle (22) und Kolben (18) einschließenden Ebene zugeneigt ist, so daß die Wirkungslinie der aus den beiden Unwucht-Fliehkräften (F _u) während des Betriebes resultierenden Fliehkraft (F _r) stets durch eine im Raum feststehenden Fixpunkt (Z) geht.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fixpunkt (Z) in der Achse der Kurbelwelle (22) liegt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Massen der beiden Unwuchten (U₁; U₂) und ihre Abstände zur Achse der Kurbelwelle (22) gleich groß sind.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fixpunkt außerhalb der Achse der Kurbelwelle liegt.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Massen und/oder Abstände der Unwuchten zur Achse der Kurbelwelle verschieden groß sind.

6. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Unwuchten (U₁; U₂) an der dem Kolben (18) abgewendeten Seite der Kurbelwelle (22) liegen und ihre Achsen sowohl in waagerechter als auch senkrechter Richtung im Abstand (A; B) zur Achse der Kurbelwelle (22) angeordnet sind.