DE446213C - Formation of the crankshaft and the crank disks in multi-cylinder explosion engines - Google Patents

Description

Ausbildung der Kurbelwelle und der Kurbelscheiben bei mehrzylindrigen Explosions-Kraftmaschinen. Um die bei schnellaufenden Kolben- und namentlich Explosions-Kraftma:schinen sich äußernde schädliche Massenwirkung möglichst zu verringern, ist bisher stets der Weg verfolgt worden, die hin und her gehenden Teile, wie Kolben und Gestänge, möglichst leicht auszubilden. Auch für die Kurbelwelle wurde die gleiche Regel befolgt, um mit der Verringerung der Masse auch deren Stöße und Erschütterungen möglichst klein zu halten. Bei den Kurbelwellen der bekannten Motoren ist ein vollständiger Massenausgleich nicht erzielbar und damit ist das Bestreben, die nach einer Richtung überwiegenden Massen tunlichst klein zu halten, berechtigt.Formation of the crankshaft and the crank disks in multi-cylinder Explosion engines. In the case of high-speed piston and especially explosive power machines So far, it has always been the case to reduce expressing harmful mass effects as much as possible the path has been followed, the moving parts, such as pistons and rods, easy to train. The same rule was followed for the crankshaft, in order to reduce the mass and the shocks and vibrations as much as possible to keep it small. The crankshafts of the known engines are complete Mass balancing cannot be achieved and thus the endeavor is in one direction Keeping the vast majority of the population as small as possible is justified.

Wenn dagegen bei solchen schnellaufenden Maschinen, wie z. B: bei den Explosions-, insbesondere den Kraftfahrzeugmotoren, bei denen die Kurbelwelle bereits zur Erzielung eines möglichst guten Massenausgleichs hinsichtlich der Kurbelstellungen symmetrisch ausgebildet ist, diese Welle unter Belassung des Schwungrades an dem einen Ende derselben, mit Rücksicht auf Massenwirkungen, möglichst leicht hergestellt wird, so stellen sich gerade infolge dieser leichten Kurbelwelle sehr unangenehme Stöße und Erschütterungen ein, da den tatsächlich vorliegenden Betriebsbedingungen nicht Rechnung getragen ist. Denn die durch den Un-.gleichförmigkeitsgrad jedes einzelnen Zylinders hervorgerufene absatzweise wirkende Verdrehungs- und Biegungsbeanspruchung der Welle muß sich bei einer derartigen Ausbildung durch die ganze Länge der Welle fortpflanzen, bis ,sie das. Schwungrad erreicht. Jede Kurbelwelle mit einem Schwungrad am Ende ist mit einer einseitig eingespannten Verdrehungsfeder vergleichbar, die gleichzeitig Verdrehungs- und Biegungsbeanspruchungen ausgesetzt ist. Diese Schwingungen führen bei der dünnen Welle dann, namentlich in der Nähe des Schwungrades, besonders leicht zum Bruch, wenn Resonanzerscheinungen der Schwingungen auftretent oder wenn durch Betriebsstörungen, Fehlzündungen u. dgl. noch besondere Belastungsstöße hinzukommen.If, however, in such high-speed machines, such as. B: at the explosion, especially the motor vehicle engines, in which the crankshaft already to achieve the best possible mass balance with regard to the crank positions is symmetrical, this shaft leaving the flywheel on the one end of it made as easily as possible, taking into account the effects of masses the light crankshaft makes it very uncomfortable Shocks and vibrations because of the actual operating conditions is not taken into account. Because by the degree of non-uniformity of each intermittent torsional and bending stresses caused by individual cylinders the shaft must run through the entire length of the shaft in such a design propagate until, it reaches the flywheel. Each crankshaft with a flywheel at the end is comparable to a torsion spring clamped on one side, the is exposed to torsional and bending stresses at the same time. These vibrations lead in the case of the thin shaft, especially in the vicinity of the flywheel easy to break when resonance phenomena of the vibrations occur or when Due to malfunctions, misfires and the like, there are also special load surges.

Die Stöße und Erschütterungen lassen sich gemäß der Erfindung dadurch beseitigen, daß die Kurbelwelle einschließlich des als Schwungmasse wirkenden Anteils, des Gestänges als ein Kreisel ausgebildet ist, bei welchem das Schwungrad durch eine Reihe von Schwungmassen ersetzt ist, die über die Kurbelwelle gleichmäßig verteilt sind und bei dem sowohl die Teilschwerpunkte der einzelnen Kröpfungen, als auch der Gesamtschwerpunkt des Gebildes in die Drehachse fällt. Die Masse ist also rings um die Achse der Kurbelwelle derart gleichmäßig verteilt, daß das polare Trägheitsmoment, d. h. die Summe aller Massenteilchen multipliziert mit dem Quadrat ihres Abstandes. von der Kurbelwellenachse, unter Beachtung der richtigen Vorzeichen gleich Null wird. Hierdurch stellt sich die Kurbelwelle wie ein Kreisel von selbst in ihre freie Achse ein und sucht auch gegenüber Störungen irgendwelcher Art ihre Drehung um diese freie Achse beizubehalten.The shocks and vibrations can be according to the invention eliminate that the crankshaft including the part acting as a flywheel, of the linkage is designed as a gyroscope, in which the flywheel is through a number of centrifugal masses is replaced, which are evenly distributed over the crankshaft are and in which both the sub-focal points of the individual offsets, and the overall center of gravity of the structure falls within the axis of rotation. So the crowd is all around so evenly distributed around the axis of the crankshaft that the polar moment of inertia, d. H. the sum of all mass particles multiplied by the square of their distance. from the crankshaft axis, taking into account the correct sign, equals zero will. As a result, the crankshaft turns itself into its free position like a top Axis and seeks its rotation around it in the face of disturbances of any kind keep free axis.

Die Erfindung sei im folgenden an Hand einiger schematisch in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele erläutert: Die Art des Ausgleichs, der Biegungsbeanspruchungen der Welle infolge der Fliehkraftwirkung einseitig - angebrachter Massen geht aus dem Beispiel der Abb. r hervor. Bei dieser Ausführung besitzen die Kurbelwangen a, welche in an sich bekannter Weise scheibenförmig ausgebildet sind, eine vergleichswese große Breite b, um so einen möglichst großen Teil der Gesamtschwungmasse in die Teilschwungmassen a zu verlegen. Die Massenwirkung des exzentrischen Kurbelzapfens c sowie des Pleuelstangenkopfes und eines Teils der Pleuelstange wird ohne Vermehrung des Gesamtgewichts der Kurbelwelle gemäß der Erfindung dadurch ausgeglichen, daß von den Teilschwungmassen a in der Nähe des Kurbelzapfens an der Stelle d eine so große Masse fortgenommen wird, daß der Teilschwerpunkt Sf des aus der Scheibe a, dem halben Kurbelzapfen c° und Teilen der Pleuelstange gebildeten Körpers in die Achse der Kurbelwelle fällt (vgl. Abb. i). In diesem Falle liegt auch der Gesamtschwerpunkt S der ganzen Kröpfung in der Wellenachse und kann keine schädlichen Wirkungen nach außen mehr hervorrufen. Von der Scheibe a kann zum Ausgleich an der Stelle d die Masse entweder durch einen Schnitt fortgenommen werden, der, wie in der Stirnansicht zu Abb. i ersichtlich ist, senkrecht zur Kröpfungsrich ; tung steht, oder aber, wenn ein solcher Schnitt die an dem Kurbelzapfen stehenbleibende Masse der Scheibe zu sehr verringern würde, durch zwei schräge, symmetrisch zur Kröpfungsrichtung liegende Schnitte di, dz (Abb. z) ersetzt ist.The invention is in the following with reference to some schematically in the Drawing of illustrated embodiments explained: The type of compensation, the bending stresses on the shaft due to the effect of centrifugal force on one side - attached masses can be seen from the example in Fig. r. In this version have the crank webs a, which are disc-shaped in a manner known per se are, a comparably large width b, so one if possible to relocate a large part of the total flywheel mass in the partial flywheel mass a. The mass effect the eccentric crank pin c and the connecting rod end and part the connecting rod is without increasing the total weight of the crankshaft according to the Invention compensated by the fact that of the partial centrifugal masses a in the vicinity of the Crank pin at the point d such a large mass is removed that the partial center of gravity Sf of the disk a, the half crank pin c ° and parts of the connecting rod formed body falls into the axis of the crankshaft (see Fig. i). In this case the total center of gravity S of the entire offset lies in the shaft axis and can no longer cause harmful effects to the outside world. From the disc a can to compensate for the mass at point d either removed by a cut which, as can be seen in the front view of Fig. i, perpendicular to the Kröpfungsrich ; tion stands, or, if such a cut, the remaining on the crank pin Mass of the disk would decrease too much, by two oblique, symmetrical to the Sections di, dz (Fig. Z) lying in the direction of the offset are replaced.

Soll auf eine möglichst große Gewichtsersparnis Wert gelegt werden, so können die Scheiben a, welche die Stellen der Kurbelwangen einnehmen, in einer Breite b ausgeführt werden, die, da die zusätzlichen Biegungsbeanspruchungen gegenüber den jetzt gebräuchlichen Kurbelwellenwangen fortfallen, nur außerordentlich klein zu sein braucht (vgl. Abb.3). In diesem Falle muß natürlich ein Schwungrad vorhanden sein. Eine Biegungsbeanspruchung dieser dünnen Scheiben durch den einseitig sitzenden Kurbelzapfen wird dann vermieden, wenn an der Außenseite der Scheibe a in Verlängerung des Zapfens c Massen e von der Größe angebracht werden, daß der Teilschwerpunkt St einer dieser Masse und des halben Kurbelzapfens (einschließlich der Teile der Pleuelstange) in die Ebene der Scheibe a fällt. Auch hier wird dann durch Fortnahme der Masse,d der Scheibe a oder in anderer Weise dafür gesorgt, daß die Teilschwerpunkte der halben Kröpfung S't sämtlich in die Wellenachse fallen. Es kann auch der dem Kurbelzapfen gegenüberliegende Teil in Richtung der Achse verdickt sein, um den Teilschwerpunkt St in die Wellenachse zu verlegen bzw. um das polare Trägheitsmoment (die Summe aller Massenteilchen multipliziert mit dem Quadrat ihres Abstandes von der Achse unter Beachtung der Vorzeichen) gleich Null werden zu lassen. Die Ausbildung der Welle nach Abb.3 eignet sich auch besonders gut bei zusammengesetzten Kurbelwellen, da die Kurbelwangen a in diesem Falle aus minderwertigerem Material hergestellt werden können, als die Kurbel- und Wellenzapfen.If you want to save as much weight as possible, so the discs a, which occupy the places of the crank webs, in a Width b are executed, as opposed to the additional bending stresses the now common crankshaft cheeks are omitted, only extremely small needs to be (see Fig.3). In this case, of course, a flywheel must be available be. A bending stress on these thin disks by the one-sided seated Crank pin is avoided if on the outside of the disc a in extension of the pin c masses e are attached to the size that the partial center of gravity St one of these masses and half of the crankpin (including parts of the Connecting rod) falls into the plane of disk a. Here, too, is then carried out the mass, d of the disk a or in some other way ensures that the partial centers of gravity half the crank S't all fall into the shaft axis. It can also be dem The opposite part of the crank pin must be thickened in the direction of the axis To relocate the partial center of gravity St in the shaft axis or around the polar moment of inertia (the sum of all mass particles multiplied by the square of their distance from of the axis taking into account the sign) to be equal to zero. Training the shaft according to Figure 3 is also particularly suitable for composite crankshafts, because the crank webs a in this case made of inferior material can be used as the crank and shaft journals.

Außer auf die Biegungsbeanspruchungen, welche durch Fliehkräfte des Kurbelzapfens selbst erzeugt werden,- muß auch noch auf diejenigen durch das Gestänge Rücksicht genommen werden; doch wird der Einfluß der rein hin und her gehenden Massen auf die Störungserscheinungen bei schnellaufenden Kolbenmaschinen meist überschätzt. Wenn die Wirkung dieser Massen, wie z. B. bei den Einzylindermaschinen, nicht dadurch gegeneinander aufgehoben werden kann, daß sich zwei gleich große Massen, z. B. die Kolben benachbarter Zylinder, gleichzeitig in entgegengesetzter Richtung bewegen, so wird jetzt die Wirkung der hin und her gehenden Massen durch sich drehende Zusatzmassen auszugleichen versucht. Derartige Zusatzschwungmassen können jedoch nur zu leicht die Störungserscheinungen schnellaufender Kolbenmaschinen vergrößern, anstatt sie zu verringern, da von der Fliehkraft, welche sie erzeugen, für den Ausgleich jeweils nur diejenige Komponente der Fliehkraft in Frage kommt, welche in der Achse des Zylinders liegt, während die senkrecht hierzu stehende Komponente die Erschütterungen, namentlich bei nicht ortsfesten Maschinen, noch steigert. Gemäß der 'Erfindung tritt der günstigste Ausgleich dann ein, wenn vom Gestänge nur der Schubstangenkopf und ein Teil der sich anschließenden Schubstange, soweit er in der Hauptsache eine Drehbewegung ausführt, bei dem Massenausgleich berücksichtigt wird, während sonst die hin und her gehenden Massen vollkommen unausgeglichen bleiben.Except for the bending stresses caused by centrifugal forces of the The crank pin itself must be generated - must also be applied to those through the linkage To be taken into account; but it becomes the influence of the purely to and fro masses mostly overestimated on the malfunction phenomena in high-speed piston engines. If the effect of these masses, such as. B. in the single-cylinder machines, not thereby can be canceled against each other that two equally large masses, z. B. the Pistons of neighboring cylinders, move in opposite directions at the same time, so is the effect of the masses going back and forth through rotating additional masses Tried to balance. However, such additional flywheels can only be too easy increase the disturbance phenomena of high-speed piston engines instead of them to reduce, because of the centrifugal force which they generate, for the compensation in each case only that component of the centrifugal force comes into question, which is in the axis of the Cylinder, while the component perpendicular to it, the vibrations, especially in the case of non-stationary machines. According to the 'invention occurs the best compensation is when only the rod head and part of the adjoining push rod, insofar as it is mainly a rotary movement executes, in which mass balancing is taken into account, while otherwise the back and forth moving masses remain completely unbalanced.

Der schädliche Einfluß dieser hin und her gehenden Massen wird um so geringer, je größer die benachbarten sich drehenden Massen gewählt werden. Aus diesem Grunde sollte nicht allzuviel Wert auf möglichst kleines Gewicht der Kurbelwelle gelegt werden, vielmehr empfiehlt es sich, die Welle, d: h. namentlich die scheibenförmigen Kurbelwangen, verhältnismäßig schwer zu bemessen. In solchem Falle macht sich nämlich die Kreiselwirkung dieser Schwungmassen nach der Richtung geltend, daß das Beharrungsvermögen der sich drehenden Mässen, ihre Einstellung in die freie Achse beizubehalten, alle Ungleichheit des Ganges aufnimmt, die durch die vergleichsweise kleinen hin und her gehenden Massen hervorgerufen werden.The harmful influence of these to-and-fro masses is being wiped out the smaller, the larger the neighboring rotating masses are chosen. the end For this reason, the weight of the crankshaft should not be too high are placed, rather it is recommended to use the shaft, i.e. especially the disc-shaped ones Crank webs, relatively difficult to measure. In such a case it does the gyroscopic effect of these centrifugal masses according to the direction that the inertia of the rotating gauges to maintain their alignment in the free axis, all of them Inequality of the aisle absorbs that through the comparatively small back and forth coming masses are caused.

Die Kreiselwirkung der dicht an der Gestängeebene liegenden Kurbelwangen hat aber noch weitere Vorteile. Ein solcher tritt -bei einer plötzlichen Änderung der Geschwindigkeit ein, wie sie z. B. bei Explosions-Kraftmaschinen sehr häufig ist. In solchem Falle dämpft die Kreiselwirkung der benachbarten Kurbelwangen unmittelbar ' die Belastungsstöße. Bei Explosionsmotoren trägt diese Ausbildung der Kurbelwelle als Kreisel sehr zur Schonung der Zahnräder, des Wechselgetriebes und anderer Teile bei.The gyroscopic effect of the close to the boom level lying But crank webs have other advantages. Such a thing occurs - with a sudden one Change the speed as it is e.g. B. in explosion engines very much is common. In such a case, the gyroscopic effect of the neighboring crank webs is dampened immediately 'the load surges. In the case of explosion engines, this training takes place the crankshaft as a gyro to protect the gears, the gearbox and other parts.

,'Ein anderer Vorteil der Ersetzung des Schwungrades durch über die Kurbelwelle verteilte Schwungmassen besteht in der Beseitigung der Verdrehungsschwingungen der Welle. Nach dem Grundsatz, daß die Kräfte dort aufgenommen werden müssen, wo sie wirken, wäre es theoretisch am besten, die Schwungmasse bei Kolbenmaschinen unmittelbar in die Gestängeebene zu legen. Praktisch ist dies natürlich nicht ausführbar. Vielmehr ist die Anbringung der Schwungmasse neben der Kröpfung zweckmäßig (vgl. Abb. i). Eine vierfach gekröpfte Welle dieser Art mit Lagerung zwischen jeder Kröpfung ist schematisch in Abb. q. veranschaulicht. Die einzelnen scheibenförmigen Kurbelwangen sind bis auf die abgeschnittenen Stellen bei ,d, welche in der vorher beschriebenen Weise zum Ausgleich der Biegungsbeanspruchungen des Kurbelzapfens dienen, vollkommen symmetrisch ausgebildet. Soll nur ein Teil der Gesamtschwungmasse in. die Kurbelwangen gelegt werden, so kann ie Kurbelwelle, wie dies Abb. 5 zeigt, dadurch kürzer gebaut werden, daß nur ein Zwischenlager bei h angeordnet ist. Bei dieser Ausführung sind auch die seitlichen Zusatzgewichte e zum Ausgleich der Biegungsbeanspruchungen neben der Verringerung der Kurbelwangenmasse bei d verwendet worden, um die Biegungsbeanspruchungen von der Kurbelwange a fernzuhalten und die Masse symmetrisch zur Achse der Kurbelwelle anzuordnen. An Stelle scheibenförmiger Teilschwungmassen können unter Erreichung der gleichen Wirkung auch kreuz-oder sternförmige Schwungmassen oder auch solche in Radform mit Speichen Anwendung finden.'Another advantage of replacing the flywheel with centrifugal masses distributed over the crankshaft is the elimination of torsional vibrations in the shaft. According to the principle that the forces must be absorbed where they act, it would theoretically be best to place the flywheel mass in piston engines directly in the linkage plane. In practice, of course, this is not feasible. Rather, it is advisable to attach the flywheel next to the offset (see Fig. I). A four-fold cranked shaft of this type with bearings between each crank is shown schematically in Fig. Q. illustrated. The individual disc-shaped crank cheeks are completely symmetrical except for the cut-off points at, d, which serve to compensate for the bending stresses on the crank pin in the manner described above. Should only part of the total flywheel be in . If the crank webs are placed, the crankshaft, as shown in Fig. 5, can be made shorter in that only one intermediate bearing is arranged at h. In this design, the additional lateral weights e have been used to compensate for the bending stresses, in addition to reducing the crank arm mass at d, in order to keep the bending stresses away from the crank arm a and to arrange the mass symmetrically to the axis of the crankshaft. In place of disc-shaped partial centrifugal masses, cruciform or star-shaped centrifugal masses or even wheel-shaped masses with spokes can be used to achieve the same effect.

Die Verwendung einer Kurbelwelle gemäß der Erfindung bringt besonders bei Explosions-Kraftmaschinen, aber auch bei anderen Kolbenmaschinen, den Vorteil mit sich, daß sowohl die Erschütterungen in der Maschine selbst als vor allem diejenigen nach außen hin so gut wie vollständig verschwinden. Wichtig ist diese Wirkung besonders für Kraftwagenmotoren, Flugzeugmotoren u. dgl., bei denen es nicht möglich ist, äußere Kräfte der Maschine durch das Fundament aufzunehmen. Die Verwendung einer Kurbelwelle gemäß der Erfindung gibt diesen Maschinen auf einen Schlag einen sehr ruhigen, weichen Gang, selbst bei sehr hohen Drehzahlen.The use of a crankshaft according to the invention is particularly beneficial in explosion engines, but also in other piston engines with it that both the vibrations in the machine itself as above all those outwardly almost completely disappear. This effect is particularly important for motor vehicle engines, aircraft engines and the like, where it is not possible to to absorb external forces of the machine through the foundation. Using a Crankshaft according to the invention gives these machines a lot in one fell swoop quiet, smooth gear, even at very high speeds.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:: i. Ausbildung der Kurbelwelle und der Kurbelscheiben bei mehrzylindrigen Expiosions-Kraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle einschließlich des als Schwungmasse wirkenden Anteils des Gestänges als ein mit über die Kurbelwelle gleichmäßig verteilter Schwungmasse behafteter Kreisel ausgebildet ist, bei dem sowohl die Teilschwerpunkte der einzelnen Kröpfungen als auch der Gesamtschwerpunkt des. Gebildes in die Drehachse fällt. PATENT CLAIMS :: i. Formation of the crankshaft and the crank disks in multi-cylinder exploration engines, characterized in that the crankshaft including the part of the linkage acting as a flywheel as one with formed over the crankshaft evenly distributed centrifugal mass afflicted gyroscopes is, in which both the partial focus of the individual offsets and the overall focus des. Structure falls into the axis of rotation. 2. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung zusätzlicher auf die Kurbelwangen wirkender Biegungsmomente - auf der Außenseite jeder Kurbelwange Gewichte in der - Weise angebracht sind, daß der Schwerpunkt dieser Gewichte und des halben Kurbelzapfens einschließlich des als Schwungmasse wirkenden Anteils des Gestänges in die Mittelebene der Kurbelwange fällt (Abb.3). 2. Device according to claim i, characterized in that that to avoid additional bending moments acting on the crank webs - on the outside of each crank web weights are attached in such a way that the center of gravity of these weights and the half crankpin including the as a flywheel acting portion of the linkage in the center plane of the crank web falls (Fig.3). 3. Vorrichtung nach den Ansprüchen i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Gewichtsverminderung das bei jeder Kurbelwange auf der Kurbelzapfenseite durch den halben Zapfen bzw. den sich drehenden Teil des Gestänges entstehende Übergewicht mittels eines Ausschnittes der Teilschwungmasse ausgeglichen ist (Abb. i). ¢. 3. Device according to claims i or 2, characterized in that that for the purpose of weight reduction this is done for each crank web on the crank pin side overweight resulting from the half pin or the rotating part of the linkage is balanced by means of a section of the partial centrifugal mass (Fig. i). ¢. Vorrichtung - nach Anspruch i oder Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägheitsmoment der Kurbelwelle samt Kurbelwangen derart groß gewählt ist, daß die durch das Gestänge verursachten freien Kräfte gegenüber der Kreiselwirkung der Welle praktisch vernachlässigbar sind. contraption - According to claim i or subclaims, characterized in that the moment of inertia the crankshaft together with the crank webs is chosen so large that the linkage caused free forces are practically negligible compared to the gyroscopic effect of the shaft are. 5. Vorrichtung nach Anspruch i oder Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung zusammengesetzter Kurbelwellen die Teilschwungmassen aus minderwertigerem Material als die Kurbelzapfen und Wellenzapfen hergestellt sind.5. Apparatus according to claim i or subclaims, characterized in that that when using composite crankshafts the partial centrifugal masses from inferior Material than the crank pins and shaft journals are made.