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Brprnikrid'tmaschine mit mehr als vier Zylindern.
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Drehungsschwingungen in der Kurbelwelle auftreten. In manchen Fällen wachsen mit zunehmender Zylinderzahl auch die Heftigkeit der Schwingungen und die Grösse der Drehzahlen, bei denen die Schwingungen auftreten, d. h. in Maschinen mit vielen Zylindern und daher längerer Kurbelwelle sind die Möglichkeiten für das Auftreten von Drehschwingungen grösser als in Maschinen mit wenigen Zylindern und daher kürzerer Kurbelwelle. Insbesondere macht sich geltend, dass Drehschwingungen höherer Ordnung, die bei kurzen Wellen bedeutungslos sind, bei langen Wellen grosse Bedeutung besitzen. Die Drehungsschwingungen entstehen als eine Wirkung der harmonischen Kräfte der Kolbendrücke.
Unter diesem Ausdruck sind die periodisch wirkenden, in reiner Sinusform schwingenden Elementarkräfte verstanden, in welche die Kolbendrücke aufgelöst werden können. Diese Kräfte führen der Kurbelwelle und den damit bewegten Teilen eine Arbeit zu, die als das Produkt der harmonischen Kraft und des Weges des Kraftangriffspunktes während der Drehungsschwingungen berechnet werden kann. Die Grösse des Ausschlages der Drehungsschwingungen ist durch den Gleichgewichtszustand bestimmt, der dann eintritt, wenn die Dämpfung der Maschine auf die schwingenden Teile die dem schwingenden System von den harmonischen Kräften zugeführte Energiemenge aufnimmt.
Bei grossen Zylinderzahlen und grossen Kolbengeschwindigkeiten kann es deshalb Schwierigkeiten verursachen, die Maschine so zu bauen, dass kritische Drehzahlen vermieden werden. da die schwingungsfreien Zwischenräume zwischen den kritischen Drehzahlen so stark beschränkt werden, dass Drehungssehwingungen bei so gut wie allen Drehzahlen auftreten.
Bei den bisher gebräuchlichen Abmessungen von Kurbelwellen wird auf die während des Ganges der Maschine auftretenden statischen Biegung-, Drehungs-, Zug-und Druckeinwirkungen Rücksicht genommen, md die Kröpfungen der Kurbelwelle werden so im Verhältnis zueinander versetzt, dass die Massenkräfte in der bestmöglichen Weise ausgeglichen werden. Die Zündfolge hat man in bekannten
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ein regelmässiges, wirksames Drehmoment erhält. Bei Schiffsmaschinen ist es ferner allgemein bekannt, die Kurbelkröpfungen so zu bestimmen, dass die Maschine bei einer beliebigen Kurbelstellung angelassen werden kann.
Es ist weiter vorgeschlagen worden, die Kurbelwelle in ihrer ganzen Länge in einer solchen Form zu bauen und die einzelnen Kolbendrücke so in ihren Phasen zueinander zu verschieben, dass der der Kurbelwelle durch die harmonischen Kräfte in einigen Zylindern zugeführten Schwingungsarbeit von der Schwingungsarbeit entgegengewirkt wurde, die der Kurbelwelle durch die harmonischen Kräfte in den andern Zylindern zugeführt wurde, so dass die gesamte der Kurbelwelle zugeführte Schwingungs- arbeit Null wurde. Der genannte Grundgedanke einer solchen Verschiebung der Kolbendrücke auf die Kurbelwelle lässt sich indessen nicht im allgemeinen durchführen.
Die vorliegende Erfindung betrifft Brennkraftmasehinen mit mehr als vier Zylindern, insbesondere mit einer sehr grossen Anzahl von Zylindern. Bei vielzylindrigen Maschinen ist es bekannt, dass die Zylinder entweder sämtlich symmetrisch zu der quer zur Kurbelwellenachse gelegten Mittelebene angeordnet sind oder aus Gruppen von mehr als zwei Zylindern bestehen, wobei die Zylinder jeder Gruppe symmetrisch zu der quer zur Kurbelwellenachse gelegten Mittelebene der betreffenden Gruppe angeordnet sind.
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Die Erfindung ist hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, dass bei Maschinen der genannten Art die Zündungen in den Zylindern, deren sämtliche Achsen in beiden Fällen in einer gemeinsamen durch die Kurbelwellenachse gehenden Ebene liegen, ebenfalls symmetrisch zu den genannten Mittelebenen erfolgen.
Durch die erwähnte Symmetrie etwa in Verb'ndung mit weiterer Symmetrie in bezug auf i Untersymmetrieebenen (wobei unter Untersymmetrie die Symmetrie innerhalb jeder Hälfte einer Gruppe, in der Hauptsymmetrie herrscht, oder mit ändern Worten innerhalb jeder der Gruppen, in denen eine
Hauptsymmetrieebene die Zylinder teilt, verstanden wird) erzielt man, dass die Kurbelwelle, was die Eurbelkröpfungen und die Zündungen betrifft, aus symmetrischen Teilen besteht, deren Drehschwingungs- arbeiten einander ganz oder teilweise aufheben, so dass die Schwingungsarbeiten der Kurbelwelle jedenfalls t bedeutend herabgesetzt werden, wie auch die Anzahl der kritischen Drehzahlen herabgesetzt wird.
Ausser der angegebenen Symmetrieanordnung bezweckt die Erfindung ferner verschiedene Ab- änderungen, gemäss welchen die einzelnen symmetrischen Abteilungen der Kurbelwelle so ausgebildet werden können, dass die Drehschwingungen praktisch genommen in einem grösseren oder kleineren Bereich von um die gewöhnliche Drehzahl der Maschine liegenden Drehzahlen ganz aufgehoben werden.
Gänzliche oder annähernd gänzliche Aufhebung der Drehsehwingungen kann dadurch erreicht werden, dass die Kurbelkröpfungen innerhalb der Einzelabteilungen der Kurbelwelle auf eine ganz besondere
Weise versetzt werden, so dass man durch die Symmetrieteilung der Kurbelwelle und der Zündungen in Verbindung mit Versetzung der Kurbelkröpfungen innerhalb der einzelnen Abteilungen einen gegen- seitigen Ausgleich der Schwingungsarbeiten erreicht.
Ein gutes Ergebnis kann gemäss der Erfindung dadurch erreicht werden, dass in jeder Zylinder- gruppe die nebeneinanderliegenden Kurbeln auf der einen Seite der Symmetrieebene dieser Gruppe gegeneinander um gleiche Winkel versetzt sind und in derselben Weise die nebeneinander liegenden
Kurbeln auf der andern Seite der genannten Symmetrieebene.
Auch ist es gemäss der Erfindung zweckmässig, dass in jeder Zylindergruppe je zwei nebeneinander liegende Kurbeln gegenseitig um einen kleinen Winkel versetzt sind. Insbesondere können in jeder Zylindergruppe die nebeneinander liegenden Kurbeln auf der einen Seite der Symmetrieebene dieser Gruppe um gleiche Winkel gegen die folgenden nebeneinander liegenden Kurbeln auf derselben Seite der genannten
Symmetrieebene versetzt sein.
Die gänzlich Aufhebung der Drehschwingungen unter Beibehaltung der regelmässigen Ausbalanzierung der Kurbelwelle und eines regelmässigen Drehmomentes, kann auch dadurch erzielt werden, dass die Masse der Kurbelwelle und die mit ihr sich drehenden Massen durch örtliche Vergrösserung oder Verkleinerung in den Abmessungen der Kurbelwelle oder durch örtliche Anhäufung von Massen (Gegen- gewichten od. dgl.) an einzelnen Stellen der Kurbelwelle derart mit Bezug auf die Symmetrieebene aller Zylinder oder die Symmetrieebenen der einzelnen Zylindergruppen verteilt sind, dass der Schwerpunkt aller beweg'en Massen in oder nahe der Symmetrieebene aller Zylinder bzw. die Schwerpunkte der bewegten Massen in den einzelnen Gruppen in oder nahe den Symmetrieebenen dieser Gruppen liegen.
In einigen Fällen ist es vorteilhaft, dass die mit der Kurbelwelle sich drehenden Massen von Gegengewichten, Schwungräder od. dgl. in oder nahe der Symmetrieebene der Kurbelwelle liegen, um die Eigenschwingungszahl der Kurbelwelle zu erhöhen. In andern Fällen kann es zweckmässig sein, dass die mit Bezug auf eine Mittelebene symmetrisch angeordneten Zylindergruppen durch Einschaltung einer Wellenstrecke von grösserer Länge als jene der die Kröpfungen der Kurbelwelle verbindenden Wellenstücke voneinander entfernt angeordnet werden, um die Eigenschwingungszahl der Kurbelwelle herabzusetzen.
Bei der genannten Anordnung der von der Kurbelwelle bewegten lassen, so dass der oder die gemeinsamen Schwerpunkte der Massen in der Symmetrieebene aller Zylinder bzw. den Symmetrieebenen der Gruppen oder in der Nähe dieser Ebenen liegen, ist es besonders vorteilhaft, dass die, sich mit der Kurbelwelle umdrehenden Massen in an sich bekannter Weise im gesamten umdrehenden System (der Maschine) oder in den einzelnen umdrehenden Systemen (den Gruppen) symmetrisch in bezug auf Hauptsymmetrieebenen der Zylinder und etwa auch in bezug auf Untersymmetrieebenen, d. h. Symmetrieebenen für jede Hälfte der Gruppen, in denen es Hauptsymmetrie gibt, angeordnet sind.
Durch diese Anordnung wird eine vollständige Aufhebung der Drehschwingungen bei allen Drehzahlen erzielt, indem die Arbeiten, die die harmonischen Kräfte ausführen würden, wenn Drehsehwingungen in der Welle wären, paarweise gleich gross mit gleich langen, aber entgegengesetzt gerichteten Wegen sein würden, so dass die resultierende Schwingungsarbeit für jedes symmetrisch gelegene Zylinderpaar mit gleichzeitiger Zündung Null werden wurde. Da dies für jedes Paar symmetrisch liegender Zylinder der Maschine der Fall ist, wird die gesamte von den harmonischen Kräften zugeführte Arbeit Null.
Im obigen sind nur die gewöhnlichen Drehschwingungen, aber nicht die zufolge Schwingungzahlen höherer Ordnung der Kurbelwelle etwa entstehenden Drehsehwingumgen berücksichtigt. Solche höheren harmonischen Drehsehwingumgen können bei langen Kurbelwellen trotz symmetrischer Zündung und symmetrischer Schwingungsform auftreten. Diese Drehschwingungen werden nicht durch eine einfache Symmetrie um eine Mittelebene der Maschine oder der Zylindergruppen aufgehoben, können aber durch fortgesetzte Symmetrieteilung in bezug auf mehrere Untersymmetrieebenen, z. B. 3,7, 15,
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31 usw. Symmetrieebenen, aufgehoben werden, so dass 4, 8, 16 usw. symmetrisch liegende Zylinder gleichzeitig zünden.
Drehschwingungen höherer Ordnung können auch dadurch aufgehoben werden, dass für jene Abteilungen der Kurbelwelle, wo Drehschwingungen höherer Ordnung entstehen, die früher erwähnte Phasenverschiebung der Kurbelkröpfungen oder Verteilung der Massen der Abteilung oder eine besondere Zündfolge verwendet wird, so dass die höheren Drehschwingungen jedenfalls innerhalb eines hinlänglich grossen Bereiches um die gewöhnliche Drehzahl der Maschine herum vollständig aufge- hoben werden.
Auf der Zeichnung ist das zum Verständnis der Erfindung Notwendige dargestellt. Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch eine Maschine mit zwölf in derselben gegenseitigen Entfernung angebrachten Zylindern, Fig. 2 ein Querschnitt durch diese Maschine, Fig. 3 ein entsprechender Querschnitt durch eine zwölfzylindrige Zweitaktmasehine, deren Kurbelkröpfungen um gleich grosse Winkel (600) zueinander versetzt sind, Fig. 4 ein sehematiseher Längsschnitt durch eine Maschine mit acht in zwei von der Mittelebene der Maschine abgerückten Gruppen angebrachten Zylindern, Fig. b zeigt den mittleren
Teil einer erfindungsgemäss ausgebildeten Kurbelwelle, Fig. 6 schematisch eine Kurbelwelle für eine Maschine mit 20 Zylindern und Fig.
7 ein die gegenseitige Lage der Kurbelkröpfungen nach Fig. 6 dar- stellendes Diagramm.
Bei der zwölfzylindrigen Maschine nach den Fig. 1 und 2 sind die Zylinder mit c bezeichnet und mit den Ziffern 1 bis 12 versehen. Die Kolben sind mit s, die Pleuelstangen mit p und die Kurbelwelle mit k bezeichnet. Die dargestellte Maschine ist eine einfach wirkende Vieitakt-Dieselmaschine, deren Zylinder in gewöhnlicher Weise in gleichen Abständen voneinander angeordnet sind. Die Kurbelwelle k ist sym- metrisch in bezug auf eine Mittelebene y durch die Mitte der Maschine zwischen den Zylindern 6,7.
Die Kurbelwelle k trägt an einem Ende ein Schwungrad/t und ist am andern Ende unmittelbar mit einem Stromerzeuger d zusammengekuppelt, dessen Läufer r von der Masehine angetrieben wird.
Nach dem
Hauptgedanken der Erfindung ist nicht nur die Zylinderanordnung mit dazugehörenden Kurbelkröpfungen, sondern auch die Zündfolge der Zylinder symmetrisch in bezug auf die Mittelebene y, und die Dreh- schwingungen und kritischen Drehzahlen sind dadurch herabgesetzt. Um die angestrebte Aufhebung der Drehschwingungen zu erzielen, sind die Zylinder 1, 2, 3 bzw. 4, 5, 6 usw. gegeneinander um gleiche Winkel (120 ) versetzt, und ferner sind die Massen des Schwungrades h und Läufers r so bemessen, dass der gemeinsame Schwerpunkt des Schwungrades und Läufers in der Mittelsymmetrieebene y liegt. Es ist also symmetrische Schwingungsform vorhanden, und hieraus folgt, dass jede durch einen Impuls in einem der Zylinder zu einer Seite der Mittelsymmetrieebene y (z.
B. durch einen Antrieb im Zylinder 1) bewirkte Schwingungsarbeit durch eine ebenso grosse, durch einen Impuls in dem mit dem erstgenannten symmetrischen Zylinder (z. B. 12) bewirkte Schwingungsarbeit ausgeglichen wird, da die beiden sym- metrischen Zylinder (1 und 12) dem Hauptgedanken der Erfindung gemäss gleichzeitig zünden. Auf die Zündung in den Zylindern 1 und 12 folgt gleichzeitige Zündung in den Zylindern 5, 8, darauf in 3, 10 und darauf in 4, 9 usw.
Zweckmässig wird für die zwei Gruppen gerade die besondere Zündfolge verwendet, die den grösstmöglichen Bereich zwischen kritischen Drehzahlen um die gewöhnliche Drehzahl der Maschine
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aus der Figur hervor und ist für die eine Hälfte der Maschine 1, 5, 3, 4,2, 6 und für die andere die hiezu symmetrische.
Um eine Herabsetzung der kritischen Drehzahlen innerhalb jeder Masehinenhälfte herbeizuführen, sind die Kurbeln, wie aus der Figur ersichtlich, gegenseitig versetzt, indem die Kurbeln 1-3 um gleiche Winkel gegen die folgenden Kurbeln 4-6 versetzt sind, so dass die Kurbeln bei der Umdrehung um gleich grosse Winkel (60 ) einander folgen. Durch diese Versetzung der Kurbeln ist ein regelmässiges Drehmoment erzielt, und gleichzeitig sind die kritischen Drehzahlen innerhalb jeder der beiden Gruppen von Zylindern für die gewöhnliche Maschinengeschwindigkeit und einen grossen Bereich um diese aufgehoben.
Bei der achtzylindrigen Maschine nach Fig. 4 sind die einzelnen Zylinder mit 1-8 bezeichnet und in zwei Gruppen zu je vier mit in derselben gegenseitigen Entfernung voneinander liegenden Zylindern angeordnet. Nach dem Hauptgedanken der Erfindung sind die Zylinderanordnung und die Lage der Kurbelkröpfungen sowie die Zündfolge symmetrisch in bezug auf eine Mittelebene y der Maschine. Da die beiden Zylindergruppen voneinander getrennt sind, entsteht in der Mitte der Kurbelwelle k eine lange, geradlinige Wellenstrecke a, deren Länge bedeutend grösser als die Länge der die einzelnen Kröpfungen verbindenden Wellenstücke b ist. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass die Eigenschwingungszahl gegenüber jenen Kurbelwellen, bei denen die Strecke a ebenso lang ist wie jede der andern Strecken b zwischen zwei benachbarten Kröpfungen, herabgesetzt wird.
Da die Eigenschwingungszahl der Kurbelwelle herabgesetzt ist, ist ihre kritische Drehzahl auf einen niedrigen Betrag verschoben, so dass ein Zusammenfallen zwischen der gewöhnlichen Drehzahl der Maschine und ihrer kritischen Drehzahl dadurch vermieden ist.
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