DE585096C

DE585096C - Vorrichtung zum Ausgleichen freier Kraefte und Momente in Maschinenanlagen, insbesondere Brennkraftmaschinen

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Publication number: DE585096C
Application number: DEK114559D
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1929-04-17
Filing date: 1929-05-02
Publication date: 1933-09-28

Description

Den Gegenstand der Erfindung bildet eine Vorrichtung zum Ausgleichen freier Kräfte und Momente in Maschinenanlagen, insbesondere Brennkraftmaschinen. Die Erfindung kann jedoch auch bei anderen Kraftmaschinen, Arbeitsmaschinen, Schiffen usw. Verwendung finden.

Wenn z. B. Brennkraftmaschinen betrachtet werden, ist es bekannt, daß Vibrationen oder periodische Schwingungen zufolge der hin und her gehenden Massen, Kolben, Kolbenstange, Kreuzkopf usw., entstehen können. Die Beschleunigungskräfte, mit welchen die hin und her gehenden Massen das Gestell und Fundament des Motors beeinflussen, können annähernd durch die Formell

P = A · cos w + B · cos 2 w

ausgedrückt werden, indem A und B Konstanten sind, während w die zu der Umdrehungszahl korrespondierende Winkelgeschwindigkeit ist. In dieser Formel vertritt das erste Glied Kräfte erster Ordnung, während das zweite Glied Kräfte zweiter Ordnung vertritt, und, wie ersichtlich, schwingen diese Kräfte nach Sinus-Kurven. Die Kräfte erster Ordnung, die im Takt mit der Drehzahl des Motors schwingen, werden bekanntlieb leicht für mehrzylindrische Maschinen durch richtige Wahl der Kurbelversetzung aufgehoben, wogegen die Kräfte zweiter Ordnung, die in einem doppelt so großen Takt" schwingen, nicht bloß hierdurch ausgeglichen werden, wenn die Zahl der Zylinder größer als sechs ist, sondern es müssen hierfür besondere Maßregeln getroffen werden, und die Erfindung bezweckt u. a. eine vorteilhafte derartige Maßregel.

Als ein zweites Beispiel können die Führungsdrücke im Kreuzkopf einer mehrzylindrigen Kolbenmaschine erwähnt werden. Ein Teil der harmonischen periodischen Kräfte niedriger Ordnungen von Führungsdrücken heben sich in vielen Fällen in einer mehrzylindrigen Maschine gegenseitig auf, während die harmonischen Kräfte der Führungsdrücke höherer Ordnung von kleiner Bedeutung sind, so daß es sich gewöhnlich nur darum handelt, harmonische Kräfte für eine oder zwei Ordnungen zu berücksichtigen. Beispielsweise mag das Verhältnis in einer sechszylindrigen Viertakt - Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle gewöhnlicher Bauart erwähnt werden. Hier heben sich die Summen der harmonischen Kräfte der Ordnungen ¹Z₂ bis 2¹J₂ für sämtliche Zylinder gegenseitig auf, wogegen die Kräfte dritter Ordnung sich addieren, während die Kräfte noch höherer Ordnung entweder einander aufheben oder so hohe Periodenzahlen haben, daß sie belanglos sind. In diesem Fall sind es also nur die harmonischen Kräfte dritter Ordnung, die berücksichtigt werden müssen.

Als ein drittes Beispiel kann das Verhältnis in Schraubenschiffen erwähnt werden, wo die Lagerdrücke im Achtersteven während

der Umdrehungen der Schraube bzw. Schrauben wechseln, indem die Rückwirkung auf die Schraubenflügel in einer Ebene winkelrecht zur Schraubenwelle bzw. zu den Schraubenwellen in Größe und Richtung wechselt. Es ist ebenfalls hier die Rede von periodischen Kräften, die mit den wechselnden Lagerrückwirkungskomponenten harmonieren.

to Die Erfindung, die beabsichtigt, die erwähnten . Kräfte durch entgegengerichtete Kräfte auszugleichen, besteht in einer Vorrichtung der Art, bei welcher die ausgleichenden Kräfte durch Bewegungen zusätz- *5 licher Massen entstehen, die während des normalen Betriebes durch eine feste Steuerung in Schwingungen gesetzt werden.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die schwingenden Massen in an sich bekannter Weise in Federn o. dgl. aufgehängt sind, mit denen zusammen sie ein schwingungsfähiges System bilden, dessen Eigenschwingungszahl in Resonanz oder beinahe in Resonanz mit dem Antrieb der Massen ist. Es sind Vorrichtungen bekannt, bei welchen schwingende Massen in Federn aufgehängt sind, sie sind aber teils nicht derart abgepaßt, daß sie zusammen mit den Federn ein schwingungsfähiges System bilden, dessen Eigenschwingungszahl in Resonanz mit dem Antrieb der Massen ist, teils werden sie nicht durch eine feste Steuerung in Schwingungen gesetzt.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird der erhebliche Vorteil erreicht, daß eine verhältnismäßig kleine Kraft genügt, um die Bewegung der . Massen aufrechtzuerhalten, und zwar wegen der genanntem Resonanz. Es wird demzufolge möglich, die Massen mit der Kurbelwelle der Maschine o. dgl. antreibenden Teilen mittels verhältnismäßig schwacher Organe zu verbinden. Durch die feste Steuerung wird es weiter erzielt, daß die Massen mit Sicherheit die beabsichtigten Bewegun- -gen ausführen, im Gegensatz zu dem, was der Fall ist, wenn die Bewegung wie bei einer bekannten Vorrichtung durch ein nachgiebiges Glied auf die Massen übertragen wird. Gemäß der Erfindung wird weiter Sorge dafür getragen, daß Bruch der Antriebsorgane bei übermäßiger Belastung derselben nicht entstehen kann. Es verhält sich nämlich so, daß Überbeanspruchung der Antriebsorgane riskiert werden könnte, wenn die Maschine z. B. beim Anlassen oder beim Anhalten mit einer Umlauf zahl läuft, die von derj enigen, wo Resonanz ist, entfernt ist, und um dies zu \^ermeiden, enthalten die Antriebsorgane der schwingenden Massen zweckmäßig ein federndes Glied, dessen Feder mit einer gewissen Vorspannung angeordnet ist, so daß es beim gewöhnlichen Betrieb als eine feste Verbindung wirkt, jedoch bei übermäßiger Beanspruchung nachgibt und dadurch Bruch der Antriebsorgane hindert. 6g

Um eine Nachstellung der Vorrichtung zu ermöglichen, sind zweckmäßig Einstellanordnungen in Verbindung mit den Massen und ihren Antriebsorganen vorgesehen, durch die man die Größe der Schwingungen der Massen ändern bzw, die Schwingungsphase verlegen kann.

Die Erfindung ist auf der Zeichnung durch drei verschiedene Ausführungsformen veranschaulicht, und zwar zeigt

Abb. ι eine Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Beseitigung der freien Kräfte zufolge der Führungsdrücke in einem Verbrennungsmotor, Abb. 2 eine Vorderansicht derselben,

Abb. 3 einen senkrechten Schnitt durch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Aufhebung der durch die hin und her gehenden Massen hervorgerufenen Beschleunigungskräfte in einem Verbrennungsmotor, 8g Abb. 4 eine Seitenansicht derselben und Abb. 5 eine Seitenansicht in teilweisem Schnitt durch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Verhinderung von Erschütterungen in Schiffen, verursacht durch Rück-Wirkungen von den Schrauben des Schiffes. In Abb. ι und 2 ist 1 das Maschinengestell eines mehrzylindrigen Viertakt-Verbrennungsmotors, 2 seine Steuerwelle. Am Maschinengestell ι sind Träger 3 befestigt, die einen Stahlbalken 4 mit flachem viereckigem Querschnitt tragen, welcher Balken so angeordnet ist, daß er waagerecht wirkenden Kräften gegenüber nachgiebig ist. Auf dem Balken 4 hängt ein schwerer, gußeiserner Klotz 5, dessen dem Gestell zugekehrte Seite Lager 7 für eine Rolle 6 trägt. Auf der Steuerwelle 2 sitzt eine Daumenscheibe 8 mit drei Daumen 9, die mit einen Daumenrolle 10 zusammenwirken, die in einer Gabel an einem 10g Ende eines zweiarmigen Hebels 11 gelagert ist. Der Hebel dreht sich um einen Zapfen 12 in einem am Maschinengestell 1 befestigten Lager 13 und trägt am unteren Ende eine Daumenrolle 14 im Eingriff mit einer Kulisse 15, mit der auch die Rolle 6 zusammenwirkt. Die Kulisse 15 ist durch einen Zapfen 16 teils mit einer Lenkstange 17, teils mit Gliedern 18 drehbar verbunden. Die Lenkstange 17 ist unten mit Gewinde versehen und trägt hier eine Mutter mit Handrad 21. Die Mutter wird durch eine Muffe 19 gesteuert, die in einem am Maschinengestell 1 befestigten Lagerblock 20 gelagert ist. Die Glieder 18 sind durch Zapfen 22 mit dem Maschinen- iao gestell ι drehbar verbunden.

Die Vorrichtung ist so aufgebaut, daß der

Stahlbalken 4, der, wie gesagt, in waagerechter Richtung federt, eine geringe Vorspannung hat, welche die Rolle 6 gegen die schwach gekrümmte Kulisse 15 preßt. Diese wird dadurch gegen die Rolle 14 des Hebels 11 gedruckt, und folglich wird die Daumenrolle 10 mit einem gewissen Druck gegen die Daumenscheibe 8 der Steuerwelle 2 gehalten. Die Vorrichtung wirkt wie folgt.

ίο Während des. Ganges der Maschine passieren die Daumen 9 der Daumenscheibe 8 die Daumenrolle 10, so daß jede Umdrehung der Steuerwelle 2 dem Hebel 11 drei Schwingungen hin und her erteilt, und diese Schwingungen werden durch die Rolle 14, Kulisse 15 und Rolle 6 auf den Klotz 5 übertragen, der . dadurch zusammen mit dem Stahlbalken 4 in Schwingungen versetzt wird. Die Daumen 9 der Daumenscheibe 8 sind so angebracht, daß die auf den Klotz 5. übertragenen Schwingungen gerade in einer Phase liegen, die der Phase der von den Führungsdrücken herrührenden harmonischen Einwirkungen entgegengesetzt ist.

Treten Änderungen in der Belastung des Motors auf, so wird es zweckmäßig sein, die Größe der Schwingungen des Klotzes 5 zu ändern, da die Größe deri von den Führungsdrücken . herrührenden Einwirkungen im wesentlichen Grade mit der Motorbelastung wechseln kann. Eine solche Änderung der Größe des Ausschwungs des Klotzes 5 kann durch Drehung des Handrads 21 erzielt werden, indem man hierdurch die Lenkstange 17 und hiermit auch den- Drehzapfen 16 der Kulisse 15 nach oben oder unten verschieben kann. Die Größe des von dem immer gleich großen Ausschwung der Rolle 14 hervorgerufenen Ausschwung des Klotzes 5 hängt nämlich von der Lage des Zapfens 16 im Verhältnis zu den Rollen 14 und 6 ab, indem die Kulisse 15 als ein in einer gewissen Entfernung vom Drehzapfen von der Rolle 14 beeinflußter einarmiger Hebel, der die Einwirkung in einer anderen Entfernung, vom Drehzapfen an die Rolle 6 weitergibt, betrachtet werden kann.

Wenn die Belastung des Motors wechselt, wechselt für gewöhnlich in einem Verbrennungsmotor nicht nur die Größe des Ausschwungs der Schwingungen, sondern auch ihre Phase. Man kann dann bei voller Belastung bzw. beim Leerlauf entweder die Phase der Schwingungen des Klotzes S der mittleren Phase der Schwingungen entgegengesetzt legen oder auch besondere Vorrichtungen benutzen, durch welche die Schwingungsphase der schwingenden Masse bei jeder Belastung der Phase der Schwingungen "6o genau gegenübergelegt werden kann. Solche Änderungen der Phase können auf viele Weisen vorgenommen werden. Beispielsweise kann man bekannte Kupplungen benutzen, durch die die Schwingungen eines Systems phasenverschoben auf ein anderes System übertragen werden, oder man kann eine Kettenverbindung von einer Welle im Motor zu einer anderen, im vorliegenden Fall z. B. die Steuerwelle 2, verwenden, wo die Kette mit Spannungen versehen ist, durch die der Phasenwinkel oder die gegenseitige Versetzung der beiden Wellen geändert werden kann. Eine Verschiebung der Phase kann weiter durch irgendeine Einstellvorrichtung erreicht werden, wodurch die Daumenscheibe 8 im Verhältnis zur Steuerwelle versetzt werden kann.

Wird die beschriebene Vorrichtung in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor verwendet, der gewöhnlich mit gleichbleibender Drehzahl arbeitet, wird das schwingende System, d. h. der Klotz 5 und der Stahlbalken 4, gemäß der Erfindung zweckmäßig so abgepaßt, daß die Eigenschwingungszahl des Systems gerade in Resonanz mit dem Antrieb der Massen bei der normalen Drehzahl ist.

Um zu vermeiden, daß die einzelnen Teile des Systems, wodurch die schwingende Bewegung auf das schwingende System 4, S übertragen wird, beim Anlassen oder Anhalten überbelastet werden, wird zweckmäßig ein federndes Glied eingeschoben. In der beschriebenen Ausführungsform können z. B. die Glieder 18 federnd gemacht sein.

In der Ausführungsform nach Abb. 3 und 4 bezeichnet 24 einen Teil des Maschinengestells und 25 die Hauptwelle des Motors. 26 ist eine um einen festen Zapfen 27 im Maschinengestell drehbare Daumenscheibe, die durch eine Kette 28 von der Welle 25 bewegt wird. Sie trägt vier Vorsprünge oder Daumen und steht mit einer Daumenrolle 29 im Eingriff, die sich um einen Zapfen 30 in einer Gabel an einem Ende eines zweiarmigen Hebels 31. dreht, dessen fester'Drehzapfen 32 im Gestell 24 gelagert ist. Das andere Ende des Hebels 31 ist durch ein federndes Glied 33 mit einem schweren Klotz 34 verbunden, der auf zwei schweren Schraubenfedern 35 (Abb. 4) ruht, deren untere Enden mittels Federsteuerungen 36 mit einer am Maschinenfundament 37 festgebolzten Bodenplatte 38 verbunden ist. Die Federn 35 haben ihren Platz in Aussparungen 39 im Klotz 34 und sind oben mit diesem mittels Federsteuerungen 40 verbunden. Der Klotz 34 wird mittels Rollen 41 (Abb. 4) geführt, die zu beiden Seiten von Führungen 42 laufen, die aufrechte Teile der Bodenplatte 38 bilden.

Die Vorrichtung wirkt wie folgt.

Während des Ganges der· Maschine wird die Daumenscheibe 26 mittels der Kette 28

von der Hauptwelle 25 bewegt, wodurch dem Hebel 31 für jede Umdrehung der Daumenscheibe vier Schwingungen hin und zurück erteilt werden, indem die Daumenrolle 29 von den Daumen der Daumenscheibe 26, gegen die sie gedruckt wird, passiert wird. Die Schwingungen des Hebels 31 werden durch das Glied 33 auf den Klotz 34 übertragen, der dadurch in senkrechte Schwingungen versetzt wird, indem er während der Bewegung von den Rollen 41 und Führungen 42 geführt wird. Die Versetzung der Daumenscheibe2Ö im Verhältnis zur Kurbelwelle 25 ist derart abgepaßt, daß die Schwingungen, die der Klotz 34 ausführt, gerade dieselbe Periodenzahl haben wie die von den Beschleunigungskräften herrührenden harmonischen Einwirkungen, die die Vibration des Motorgestells, des Fundaments und der übrigen festen Teile verursachen. Die Ausschwingungen des Klotzes 34 werden ferner so abgepaßt, daß die von diesem schwingenden System herrührenden Einwirkungen nicht nur den die Vibrationen bewirkenden Einwirkungen entgegengesetzt gerichtet sind, sondern auch dieselbe Größe wie diese haben, wodurch erreicht wird, daß Vibrationen nicht eintreten..

Ebenso wie für die Vorrichtung nach Abb. ι und 2 angegeben, wird erfmdungsgemäß das aus dem Klotz 34 und der Feder 35 bestehende schwingende System derart abgepaßt, daß die Eigenschwingungszahl des Systems in Resonanz mit dem Antrieb der Massen ist, indem es hierdurch ermöglicht wird, die Bewegung des schwingenden Systems -mit einem Mindestmaß an Arbeit zu steuern.

Gegen Überbelastung der Vorrichtung beim Anlassen sichert man sich in ähnlicher Weise, wie in Verbindung mit der Ausfüh- ^ rungsform gemäß Abb. 1 und 2 angeführt, nämlich durch Einschaltung eines federnden Gliedes, das hier von dem federnden Glied 33 gebildet wird.

In der Ausführungsform nach Abb. 5 bezeichnet 43 die Schraubenwelle eines Schiffes. 44 ist eine Kette, durch die eine in Lagern 46 gelagerte Welle 45 von der Schraubenwelle getrieben wird. Die Welle 45 ist mit einer Kurbel versehen, um die der Kopf 47 eines Gliedes 48 greift, das zweckmäßig ebenso wie die Glieder 18 und 33 in den oben beschriebenen Ausführungsformen federnd gemacht ist. Der andere Kopf 49 des Gliedes ist durch einen Zapfen 50 mit einem Lager 51 in einem gußeisernen Klotz 52 verbunden, der mittels flacher Stahlbän-. der 53 o. dgl. nachgiebiger Aufhängungsmittel in festen Trägern 54 aufgehängt ist. Der Klotz-52 wird durch abgehobelte, gleichlaufende Führungsflächen 55 fest angebrachter Schienen 56 geführt. Diese Aufhängungsund Führungsweise ermöglicht es, dem Klotz 52 eine geringe hin und her gehende Bewegung zu erteilen. 5.8 bezeichnet schwere Schraubenfedern, wovon vier vorhanden sind, die in Aussparungen 57 im Klotz 52 angebracht sind und mit ihren Enden teils gegen den Boden der Aussparung 57, teils gegen feste Federführungen oder Träger 59, 60 stützen. Zur Begrenzung der schwingenden Bewegung des Klotzes 52 sind Federpuffer 61, 62 oben und unten auf zwei durch Bohrungen im Klotz 52 gehenden langen Bolzen 63 angebracht. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist der Klotz 52 geneigt angebracht, und seine Richtung wird in Übereinstimmung mit den resultierenden Einwirkungen auf das Achterlager des Schiffes bestimmt, welche Einwirkungen vom Druck des Wassers auf die Schraube herrühren. Das übersetzungsverhältnis für den Kettenzug 44 zwischen der Schraubenwelle 43 und der Welle 45 wird ebenso wie die gegenseitige Versetzung dieser Wellen so abgepaßt, daß die hin und her gehenden Schwingungen, die dem Klotz 52 während der Drehung der Schraubenwelle 43 beigebracht werden, gerade dieselbe Periodenzahl haben wie die vom Druck der Schraube gegen das Wasser hervorgerufenen Rückwirkungen, während sie die entgegengesetzte Richtung haben.

Wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen (Abb. ι bis 4) wird auch bei dieser Form die Eigenschwingungszahl des aus dem Klotz 52 und den Federn 58 bestehenden Systems in. Resonanz mit. dem Antrieb der Massen gebracht.

Die Erfindung ist übrigens nicht an die dargestellten und beschriebenen Ausführungen gebunden, indem diese nur als Beispiele dienen.

Claims

Patentansprüche:

i. Vorrichtung zum Ausgleichen freier Kräfte und Momente in Maschinenanlagen, insbesondere Brennkraftmaschinen, bei der zusätzliche Massen gleich- no zeitig mit der Bewegung der Maschine durch eine während des normalen Betriebs feste Steuerung in Schwingungen gesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise diese schwingenden Massen in Federn 0. dgl. aufgehängt sind, mit denen zusamme» sie ein schwingungsfähiges System bilden, dessen Eigenschwingungszahl in Resonanz oder beinahe in Resonanz mit dem Antrieb der Massen ist.
2. A^rorrichtung nach Anspruch 1, bei

der die Antriebsorgane den schwingenden Massen gegenüber kleine Abmessungen haben, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsorgane der schwingenden Massen ein federndes Glied enthalten, dessen Feder mit einer gewissen Vorspannung angeordnet »ist, so daß es beim gewöhnlichen Betrieb als eine feste Verbindung wirkt, jedoch bei übermäßiger Beanspruchung nachgibt und dadurch Bruch der Antriebsorgane hindert.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 zum Ausgleich von Massenkräften zweiter Ordnung, gekennzeichnet durch einen schweren, auf einer oder mehreren im Maschinengestell oder auf dem Maschinenfundament angebrachten Schraubenfedern o. dgl. ruhenden Klotz, dessen Bewegung durch eine von der Kurbelwelle angetriebene Daumenscheibe o. dgl. erzeugt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 zum Ausgleich des vom Kreuzkopf herrührenden seitlichen Druckes, gekennzeichnet durch einen schweren, auf einem federnden Balken im Maschinengestell aufgehängten Klotz, der durch eine auf der Steuerwelle angebrachte Daumenscheibe bewegt wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, insbesondere für Schiffsschrauben, zum Ausgleich pulsierender Lagerdrücke im Stevenrohr, gekennzeichnet durch einen zwischen passend geneigt angeordneten Führungsflächen gelagerten Klotz, der an festen Trägern o. dgl. mittels nachgiebiger Aufhängungsmittel, z. B. flacher Stahlbänder, derart aufgehängt ist, daß eine geringe schwingende Bewegung des Klotzes gegen den beiderseitigen Druck schwerer Schraubenfedern o. dgl. ermöglicht wird, die mit ihren äußeren Enden gegen feste Träger o. dgl. sich abstützen, wobei der Klotz von der Schraubenwelle mittels einer geeigneten Übersetzung und einer Kurbel o. dgl. bewegt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen