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Einrichtung zum Massenausgleich bei Kolbenmaschinen, insbesondere bei Zweitakt-Brennkraftmaschinen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Massenausgleich bei Kolbenmaschinen, insbesondere bei Zweitakt-Brennkraftmaschinen, bei denen die freien, von den hin-und hergehenden Massen hervorgerufenen Kräfte mit Hilfe einerseits der an der Kurbelwelle und anderseits an zwei Hilfswellen angebrachten Gegengewichten ausgeglichen werden, wobei beide Hilfswellen, deren Achsen parallel mit der Kurbelwellenachse, jedoch ausserhalb einer gedachten, durch die Achsen der Hilfswellen und die Kurbelwellenachse bestimmten Ebene liegen, mit derselben Winkelgeschwindigkeit wie die Kurbelwelle, jedoch in entgegengesetzter Richtung zu dieser rotieren.
Es ist z. B. aus den österr. Patentschriften Nr. 155742 und Nr. 163920 bekannt, bei diesen Maschinen ausser den rotierenden Massen auch die Hälfte der hin-und hergehenden Massen durch an der Kurbelwelle angebrachte Gegengewichte auszugleichen. Der vollkommene Ausgleich der hin-und hergehenden Massen wird bei der bekannten Methode durch auf zwei Hilfswellen angebrachte Gegengewichte erzielt.
Hiebei ist die Lage der Hilfswellen an eine symmetrische Anordnung zur Zylinderachse gebunden und die Hilfswellen rotieren gegeneinander in entgegengesetzter Richtung. Bei einer andern bekannten Maschine wird der vollkommene Ausgleich der hin-und hergehenden Massen dadurch erzielt, dass ausser den an der Kurbelwelle angebrachten Gegengewichten noch weitere Gegengewichte benutzt werden, die an zwei auf entgegengesetzten Seiten der Kurbelwelle liegenden Hilfswellen angebracht sind. Diese Hilfswellen rotieren in derselben Richtung, jedoch entgegengesetzt zur Drehrichtung der Kurbelwelle, wobei die Hilfswellen- und Kurbelwellenachsen in einer Ebene liegen.
Diese bekannten Einrichtungen zum vollkommenen Massenausgleich haben den Nachteil, dass die Anordnung der Hilfswellen, die durch ihre Drehrichtung bedingt ist, zu erheblichen konstruktiven Beschränkungen führt, die in vielen Fällen bedeutende Schwierigkeiten verursachen. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die bereits vorhandenen Nebenwellen von Hilfsmechanismen des Motors für diese Arbeit heranzuziehen sind, wie z. B. Steuerungswellen, Wellen von Einspritzpumpen und Ladevorrichtungen u. ähnl.
Dieser Unzulänglichkeit wird durch die erfindungsgemässe Methode und Einrichtung vorgebeugt, wonach die von den hin-und hergehenden Massen stammenden freien Kräfte durch die Fliehkräfte mindestens zweier entgegengesetzt laufender Gegengewichte beseitigt werden, wobei eines dieser Gegengewichte an der Kurbelwelle, das andere an einer Hilfswelle angebracht ist. Diese Gegengewichte bilden mit den freien Kräften der hin- und hergehenden Massen in der Querebene des Motors ein Momentpaar, welches weiterhin durch das Moment eines Hilfssystems ausgeglichen wird, das zu diesem Zweck aus den Fliehkräften zweier entgegengesetzt zum Drehsinn der Kurbelwelle rotierender, gegenseitig in einem Winkel von 1800 versetzter Gegengewichte gleicher Grösse besteht.
Die in der österr. Patentschrift Nr. 175413 dargestellte Methode des Massenausgleiches bei Motoren ist ebenfalls von der erfindungsgemässen Einrichtung unterschiedlich. Gemäss der genannten Patentschrift werden zum Gewichtsausgleich die hin-und hergehenden Massen eines Spülgebläses verwendet. An der Kurbelwelle werden bloss die rotierenden Massen ausgeglichen, wogegen die restliche freie Kraft durch ein an der Welle des Rotationsschiebers angebrachtes, in entgegengesetzter Richtung laufendes Gegenge-
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wicht ausgeglichen wird. Diese Einrichtung ist nicht geeignet, einen vollkommenen Ausgleich zu gewährleisten, denn dadurch, dass ein in entgegengesetzter Richtung laufendes Gegengewicht ausserhalb der Kurbelwellenachse angeordnet ist, entsteht ein Kippmoment, eventuell auch ein freies Längsmoment.
Gemäss der Erfindung ist eine Einrichtung der eingangs umrissenen Art dadurch gekennzeichnet, dass die freien Massenkräfte in an sich bekannter Weise durch die Fliehkraft mindestens zweier, entgegengesetzt rotierender Gegengewichte ausgeglichen werden, deren Grösse einer Hälfte der hin-und hergehenden Massen entspricht und von denen das eine Gegengewicht an der Kurbelwelle und das andere an einer der Hilfswellen angebracht ist, wobei das von diesen Gegengewichten mit den freien Massenkräften des Motors gebildete Quermoment durch das Momentenpaar der Fliehkräfte zweier weiterer gleich grosser und in gleicher Richtung rotierender Gegengewichte ausgeglichen ist, die gegeneinander um 1800 an den Hilfswellen versetzt angebracht sind und deren Fliehkräfte (Vektoren) mit der Verbindungslinie der Hilfs-
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Der Gegenstand der Erfindung ist in einigen Ausführungen in den Fig. la, b-7 der Zeichnungen dargestellt. Fig. la, b zeigen eine graphische Lösung des Ausgleiches der freien Massenkräfte eines Einzylindermotors, Fig. 2 ist eine schematisch dargestellte Schrägansicht des Ausgleichsorganes. Fig. 3 stellt eine analoge Ausführung des Ausgleichsorganes bei einem Zweitakt-Einzylindermotor dar, Fig. 4 ist ein Teil eines Querschnittes und der Kurbel- und Steuerungsmechanismus eines Zweitakt-Einzylindermotors, Fig. 5 ist ein Seitenblick auf die Gegengewichte in Richtung des Pfeiles P von Fig. 4, Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf die in Fig. 4,5 dargestellte Einrichtung und Fig. 7 ist die schematische Schrägansicht des Ausgleichsorganes bei einem Zweizylindermotor mit zueinander um 180 versetzten Kurbelwellen.
Die Gegengewichte, die einesteils die rotierenden Massen und anderseits die Hälfte der hin-und hergehenden Massen ausgleichen, sind beim Einzylindermotor auf den Armen der mit einer Winkelgeschwindigkeit w rotierenden Kurbelwelle 0 befestigt. Fig. la und 1b zeigen nur das Gegengewicht, wel-
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und hergehendenzylindermotor die Konstante A durch das Produkt des Gewichtes der hin- und hergehenden Bestandteile und des Halbmessers der Kurbelwelle gegeben ist. Die Kurbelwelle ist auf dieser Figur in einer um einen Winkel p von der oberen Totlage versetzten Lage aufgezeichnet.
Für den Ausgleich der restlichen Hälfte der freien, von den hin- und hergehenden Massen stammenden Kräfte dient das Gegengewicht Ul von gleicher Grösse wie V, das auf der Hilfswelle 1 angeordnet ist, die parallel zur Kurbelwellenachse sein muss, im übrigen aber beliebig angeordnet sein kann. Die Hilfswelle 1 wird von der Kurbelwelle mittels Zahnrädern Ko'K1 mit einer Übersetzung von l : l in zur Drehrichtung der Kurbelwelle entgegengesetzter Richtung angetrieben. Die Wirkung dieses Gegengewichtes ist durch den Vektor U dargestellt, welcher zur Zylinderachse ebenfalls einen Neigungswinkel von p hat, jedoch in entgegengesetzter Richtung zum Vektor .
Die Resultierende der Fliehkräfte der Gegengewichte V und U (d. h. der Vektoren V und U) ist im Gleichgewicht mit der freien Kraft (1. Harmonischen) der hin-und hergehenden Massen, wobei jedoch ihre Wirkung ausserhalb der Zylinderachse liegt, so dass sie mit derselben in der Querebene
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zweier weiterer Gegengewichte angewendet, die durch zwei gleich grosse Vektoren VM dargestellt sind, die auf den Arm 12 wirken, gegenseitig um 1800 versetzt sind und mit einer Winkelgeschwindigkeit tu in einer der Drehrichtung der Kurbelwelle entgegengesetzten Richtung rotieren.
Als Wirkungsstelle eines der Vektoren VM kann mit Vorteil die Achse der angeführten Welle 1 und für die Wirkungsstelle des zweiten Vektors VM die Achse der zweiten Hilfswelle 2 dienen, die mit der Kurbelwellenachse parallel, aber ansonsten beliebig angeordnet sein kann. Beide Hilfswellen sind in bezug zur Kurbelwellenachse unsym-
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úJfernung beider Hilfswellen darstellt. Die Hilfswelle 2 ist von der Kurbelwelle mittels Zahnrädern Ket und K2'mit einer Übersetzung 1 : 1 angetrieben, so dass sie entgegengesetzt der Drehrichtung der Kurbelwelle rotiert.
Die Vektoren VM wirken in der Weise, dass der von der Verbindungsstelle ï2 zum entspre- chenden Vektor in der Richtung seiner Rotierung gemessene Winkel e bei der aufgezeichneten Drehrich-
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toren U und VM entstandene Resultierende ist durch das Gegengewicht V realisiert, das auf der Hilfswelle 1 sitzt. Der auf der Hilfswelle 2 wirkende Vektor VM ist durch das Gegengewicht V2 realisiert.
Vorstehend ausgeführter Sachverhalt lässt sich durch folgende mathematische Analyse genauer darstellen.
Die Fliehkraft des an der Kurbelwelle angebrachten Gegengewichtes ist
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Mittels dieses Gegengewichtes wird eine Hälfte der hin-und hergehenden Teile ausgewuchtet. Die andere Hälfte wird durch das an der Hilfswelle 1 angebrachte Gegengewicht ausgewuchtet. Die Achse dieser Hilfswelle hat nach Fig. 1 die Koordinaten xi, y und die Fliehkraft des Gegengewichtes ist
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Durch Anwendung dieses Gegengewichtes ist jedoch ein Kippmoment entstanden, dessen Grösse ver- änderlich ist, u. zw. in Abhängigkeit vom Winkel p der Kurbelteildrehung :
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Aus Gleichung (3) im Zusammenhang mit (1) und (2) ergibt sich :
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welle 1 von der Achse der Kurbelwelle 0.
Dabei ist :
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Aus Gleichung (4) ergibt sich schliesslich die oben aufgestellte Gleichung :
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Der Winkel p ist also definiert wie folgt :
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Yimieren :
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Aus der Gleichheit der linken und rechten Seite dieser Gleichung ergibt sich die Fliehkraft VM aus folgender Gleichung :
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geben. Das resultierende Gegengewicht vs an der Hilfswelle 2 ist direkt durch das Gegengewicht VM gegeben.
Das Ausgleichssystem besteht daher mindestens aus drei Gegengewichten, wobei das Gegengewicht V. direkt an der Kurbelwelle und die Gegengewichte V1, V2 an zwei Hilfswellen 1, 2 vorgesehen sind, die mit derselben Geschwindigkeit rotieren wie die Kurbelwelle, jedoch zu dieser in entgegengesetztem Drehsinn. Für diese Hilfswellen können vorteilhaft bestehende Wellen, die zum Antrieb von Hilfseinrichtungen dienen, benützt werden, d. h. Wellen des Steuerungsmechanismus, des Kompressors, der Einspritzpumpe u. ähnl. Ein weiterer Vorzug dieses Ausgleichssystems besteht darin, dass die Gegengewichte an den Hilfswellen von kleinen Ausmassen sind, so dass auch ihre Fliehkräfte und Lagerbeanspmchungen niedrig sind.
Die aus Fig. la, b ersichtliche Anordnung aller Gegengewichte in der Ebene XY, die senkrecht durch die Zylinderachse zur Kurbelwellenachse führt, ist vom Standpunkt der Konstruktion nur selten möglich. Im Falle eines nicht vollkommenen Ausgleiches, d. h. wenn freie Längsmomsate zulässig sind, können die Gegengewichte nur an einer Seite des Motors angeordnet werden. Ein vollkommener Ausgleich wird durch die Anordnung derselben an beiden Seiten des Motors erreicht, wie dies fik einen Einzylindermotor aus den Fig. 2 - 6 ersichtlich ist.
In Fig. 2 ist ein Ausgleich mittels zwei auf der Kurbelwelle angeordneter Gegengewichte und mittels der auf den Hilfswellen an beiden Seiten des Motors angebrachten Gegengewichte V ',V", V', V"
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der Ebene XY zu liegen hat und dass sie mit der Fliehkraft des ursprünglichen Gegengewichtes V1 oder V2 des eingangs beschriebenen Falles identisch sein muss. Das an der Kurbelwelle angebrachte Gegengewicht VK dient zum Ausgleich einer Hälfte der rotierenden und eines Viertels der hin-und hergehenden Massen.
Eine Vereinfachung der angetriebenen Mechanismen von Hilfseinrichtungen kann dann. eintreten, wenn die Hilfswellen in gleicher Entfernung von der Kurbelwelle angeordnet sind, so dass nur drei Zahnräder gleichen Durchmessers anzuwenden sind.
In Fig. 3 ist ein Massenausgleich dargestellt, bei welchem ausser den auf der Kurbelwelle vorgesehenen Gegengewichten VK noch drei Gegengewichte V2, V1+, V1++ an den Hilfswellen angeordnet sind,
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so abgeleitet werden, dass durch die Vereinigung der Gegengewichte V,'und %"in ein Gegengewicht V, ein Moment entsteht, welches durch Hinzufügung des entsprechenden Momentpaares zu den Gegenge-
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Die Fig. 4,5 und 6 zeigen die erfindungsgemässe Ausführung des Ausgleiches der hin- und hergehenden Massen bei einem Einzylindermotor im Falle, dass die Achsen der Hilfswellen l, 2 in einer zur Zylinderachse senkrechten Ebene und in gleichen Entfernungen von derselben angeordnet sind. Die Kurbelwelle ist mit zwei Gegengewichten VK zwecks Ausgleich der rotierenden und der Hälfte der hin-und
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des rotierenden, den Eintritt der Spülluft in das Motorgehäuse bzw. den Motorzylinder regulierenden Schiebers S dient. Die Welle 1 ist in Lagern L gelagert und an beiden Seiten sind in gleicher Entfernung von der Zylinderachse die gleich grossen Gegengewichte V,+ und V,++ angeordnet, deren Grösse einem Viertel der hin-und hergehenden Massen entspricht.
Das Gegengewicht zist direkt mit dem Zahn- rad K, das die Hilfswelle 1 antreibt, verbunden, während das Gegengewicht Vi ++ selbständig am Ende der Welle 1 befestigt ist. Die gegenseitige Lage beider Gegengewichte ist aus Fig. 5 zu ersehen, wo die ihnen entsprechenden Fliehkräfte (Vektoren) einen Winkel von 900 schliessen, wobei die Fliehkraft des
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ser Lage der Welle von der Zylinderachse orientiert ist. Das Gegengewicht vs der Hilfswelle 2 ist direkt am Zahnrad K, in der Weise ausgeführt, dass sein Schwerpunkt in der Ebene zu liegen kommt, die durch den Schwerpunkt des Gegengewichtes V1+ senkrecht zur Kurbelwellenachse geht.
Das Gegengewicht V ist so versetzt. dass, wenn sich die Kurbel in oberer Totlage befindet, seine Fliehkraft senkrecht auf die Ebene der Wellenachsen 0,2 wirkt. Die Grösse dieses Gegengewichtes entspricht einem Viertel der hinund hergehenden Massen, die im Verhältnis der Entfernung der Hilfswellenachse 2 von der Kurbelwellenachse zur Entfernung der Hilfswellenachse 2 von der Zylinderachse Y zu vergrössern sind.
Das Ende der Hilfswelle 1 ist mit einem Regler versehen, dessen auf der Welle verschiebbare Hülse von den Fliehkräften der Gegengewichte Z, die vorne am Antriebsrad K schwingend befestigt sind, gesteuert sind.
Gleicherweise wie die freie Kraft ausgeglichen wird, ist es möglich, auch das freie Längsmoment (I. Harmonische), das bei Mehrzylindermotoren durch die freien Kräfte der hin-und hergehenden Massen hervorgerufen wird, auszugleichen. Die Art des Ausgleiches bei einem Reihenmotor mit um 1800 versetzten Kurbeln zeigt Fig. 7. Das freie Längsmoment wirkt in der Zylinderebene. Mit Hilfe der an der Kurbelwelle angeordneten Gegengewichte VK wird ausser dem von den rotierenden Massen stammenden Moment noch die Hälfte des durch die hin-und hergehenden Massen hervorgerufenen Momentes ausgeglichen.
Mit Hilfe von zwei Gegengewichten von der Grösse V, die auf der Hilfswelle 1 angebracht sind, und weiteren zwei Gegengewichten von der Grösse V, die an der Hilfswelle 2 vorgesehen sind, wird die zweite Hälfte des Momentes in der Weise ausgeglichen, dass kein Kippmoment in der Querrichtung entsteht. Hiebei sind die Gegengewichte derselben Hilfswelle gegeneinander um 1800 versetzt.
Auf gleiche Weise können auch die freie Kraft und das freie Moment bei Maschinen mit mehreren Zylindern in einer oder mehreren Reihen ausgeglichen werden.
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