Einrichtung zum Massenausgleich bei Kolbenmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf die Einrichtung zum Massenausgleich (Harmonische Kraftschwin gungen I. Ordnung) bei Kolbenmaschinen, insbeson dere bei Zweitaktmotoren mit einmal gekröpfter Kurbelwelle, bei denen die freien, von den hin und her gehenden Massen hervorgerufenen Kräfte mit Hilfe einerseits von an der Kurbelwelle und ander seits an zwei Hilfswellen angebrachten Gegengewich ten ausgeglichen werden, wobei beide Hilfswellen, deren Achsen parallel mit der Kurbelwellenachse, jedoch mit dieser nicht in einer Ebene liegen,
mit derselben Winkelgeschwindigkeit wie die Kurbelwelle rotieren.
Die erfindungsgemässe Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, d'ass zwei entgegengesetzt rotierende Gegengewichte vorgesehen sind, von denen das eine auf der Kurbelwelle und das andere auf einer ersten Hilfswelle angeordnet sind, wobei das auf der Kur belwelle angeordnete Gegengewicht die Hälfte der hin und her gehenden Massen ausgleicht und eine Fliehkraft erzeugt, die mit einer ersten Komponente der Fliehkraft des auf der ersten Hilfswelle ange ordneten Gegengewichtes eine Resultierende ergibt, welche mit den freien Kräften der hin und her ge henden Massen in einer Querebene des Motors ein erstes Kräftepaar bildet, welches durch ein zweites Kräftepaar ausgeglichen wird,
das vorzugsweise durch die Fliehkräfte zweier weiterer in gleicher Richtung rotierender Gegengewichte gebildet ist.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in der Zeichnung dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine graphische Lösung der Aus gleichsmethode von freien Massenkräften eines. Einzylindermotors.
Fig. 2 ist eine schematisch dargestellte Schräg ansieht des Ausgleichsorgans. Fig. 3 stellt eine zu Fig. 2 analoge Ausführung des Ausgleichsorgans bei einem Zweitakt Einzylin- dermotor dar.
Fig. 4 ist eine Ansicht mit teilweisem Schnitt durch einen Kurbelwellen- und Steuerungsmecha nismus eines Zweitakt-Einzylindermotors.
Fig. 5 zeigt eine Ansicht von oben auf die in Fig. 4 dargestellte Einrichtung.
Fig. 6 ist eine schematische Schrägansicht der Ausgleichsorgane, welche bei einem Zweizylinder motor mit in einem Winkel von 180 versetzter Kur belwelle angewendet wird.
Das Gegengewicht mo, das einesteils die Wirkung der rotierenden Massen und anderseits die Hälfte der Wirkung der hin und her gehenden Massen aus gleicht, ist beim Einzylindermotor auf den Armen der mit einer Winkelgeschwindigkeit von co rotieren den Kurbelwelle 0 befestigt. Die vertikale Kompo nente der Fliehkraft VD des Gegengewichtes mo ist gleich der Hälfte der freien Kräfte der hin und her gehenden Massen.
Die Fliehkraft VD wird durch die Gleichung
EMI0001.0046
bestimmt, in welcher für einen Einzylindermotor die Konstante A i das Produkt des Gewichtes der hin und her gehenden Bestandteile und des Kurbelarmes der Welle bedeutet. Die Kurbelwelle ist auf dieser Figur in einer um einen Winkel <B>99</B> von der obern Totlage versetzten Lage aufgezeichnet.
Für den Ausgleich der restlichen Hälfte der freien, von den hin und her gehenden Massen stammenden Kraft dient die Komponente Ui von gleicher Grösse wie VD. Ui ist eine Komponente der Fliehkraft V1 des Gegengewichtes m1, welches jedoch auf der Hilfs- welle 1 angeordnet ist. Diese Hilfswelle muss parallel mit der Kurbelwellenachse verlaufen, ansonsten kann ihre Anordnung beliebig gewählt werden.
Die Hilfswelle 1 wird von der Kurbelwelle mittels Zahn räder Ko, K1 mit einer übersetzung von 1 : 1 in der der Drehrichtung der Kurbelwelle entgegengesetzten Richtung, angetrieben. Die Wirkung dieses Gegen gewichtes ist durch den Vektor U1 gegeben, welcher mit Bezug zur Zylinderachse ebenfalls einen Nei gungswinkel von cp hat, jedoch in entgegengesetzter Richtung als der Vektor Vo. Die Resultierende der Vektoren Vo und Ui ist gleich der freien Kraft (I.
Ordnung) der hin und her gehenden Massen, wo bei jedoch ihre Wirkung ausserhalb der Zylinder achse liegt, so dass sie mit der freien Kraft in der Querebene des Motors ein Momentpaar bildet. Dieses Kippmoment Ml ist sinusartig nach der Beziehung
EMI0002.0016
wo Öl die Entfernung der Wellenachsen 0 und 1 darstellt, W der Winkel ist, der durch den Ausdruck
EMI0002.0019
gegeben ist, wobei xi, y, Koordinaten der Hilfs- wellenachse 1 darstellen.
Zum Ausgleich dieses Kippmomentes wird ein Hilfsmomentenpaar der Fliehkräfte V", und<I>V2</I> an gewendet, die durch zwei gleich grosse Vektoren dar gestellt sind, die auf den Arm 12 wirken, welcher durch die Entfernung der Wellenachsen 1 und 2 be stimmt ist, gegenseitig um 180 versetzt sind und mit einer Winkelgeschwindigkeit (o in einer der Dreh richtung der Kurbelwelle entgegengesetzten Richtung rotieren. V2 stellt die Fliehkraft des Gewichtes m2 und V_" eine Komponente der Fliehkraft V, dar.
Als Wirkungsstelle eines der Vektoren Vm dient die Achse der angeführten Welle 1 und für die Wir kungsstelle des zweiten Vektors Vn die Achse der das Gegengewicht M2 tragenden zweiten Hilfswelle 2, die mit der Kurbelwellenachse parallel, aber sonst beliebig angeordnet werden kann. Beide Hilfswellen sind in bezug zur Kurbelwellenachse unsymmetrisch angeordnet.
Die Grösse der Vektoren Vu und V2 ist durch die Gleichung
EMI0002.0042
gegeben, wobei 12 die Entfernung beider Hilfswellen darstellt. Die Hilfswelle 2 ist von der Kurbelwelle mittels Zahnräder K'o und K'2 mit einer Übersetzung 1 : 1 angetrieben, so dass sie entgegengesetzt der Drehrichtung der Kurbelwelle rotiert.
Die Vektoren V@i, V2 wirken in der Weise, dass der von der Ver bindungslinie 12 zum entsprechenden Vektor in der Richtung seiner Rotierung gemessene Winkel a bei der aufgezeichneten Drehrichtung der Kurbelwelle der Gleichung<I>s =</I> ic <I>+</I> T <I>+</I> -# entspricht. Die durch geometrische Addition der Vektoren U1 und VM ent standene Resultierende V, ist durch das Gegen gewicht realisiert, welches auf der Hilfswelle 1 an geordnet ist.
Der auf der Hilfswelle 2 wirkende Vektor V2 ist durch das auf dieser Welle sitzende Gegengewicht m2 realisiert.
Das Ausgleichssystem besteht daher mindestens aus drei Gegengewichten, wobei das eine Gegen gewicht direkt an der Kurbelwelle und weitere Ge gengewichte an zwei Hilfswellen 1, 2 vorgesehen sind, die mit derselben Geschwindigkeit rotieren wie die Kurbelwelle, und zwar entweder beide in der der Kurbelwellenrichtung entgegengesetzten Dreh richtung oder eine Welle in derselben und die andere in der entgegengesetzten Richtung als die Kurbel welle. Für diese Hilfswellen können z. B. bestehende Wellen, die zum Antrieb von Hilfseinrichtungen dienen, benützt werden, das heisst Wellen des Steuer mechanismus, des Kompressors, der Einspritzpumpe und ähnlichen.
Die aus Fig. 1 ersichtliche Anordnung aller Ge gengewichte in der Ebene XY, die senkrecht durch die Zylinderachse zur Kurbelwellenachse führt, ist vom Standpunkt der Konstruktion nur selten mög lich. Im Falle eines nicht vollkommenen Ausgleiches, das heisst, wenn freie Längsmomente zulässig sind, kann die Anordnung der Gegengewichte nur an einer Seite des Zylinders vorgenommen werden. Ein voll kommener Ausgleich wird durch die Anordnung der selben an beiden Seiten des Zylinders erreicht, wie dies für einen Einzylindermotor aus Skizzen 2 bis 6 ersichtlich ist.
In Fig. 2 ist ein Ausgleich mittels zweier auf der Kurbelwelle angeordneter, das Gegengewicht mo bil denden Massen WO und m"o und mittels der auf den Hilfswellen an beiden Seiten des Zylinders ange brachten Massen dargestellt.
Die an einer gemein samen Welle wirkenden nicht dargestellten Vektoren V'1, V"1 oder V'2, <I>V"2</I> der Fliehkräfte sind gleich gerichtet; für die Bestimmung ihrer Grösse gilt die Bedingung, dass ihre resultierende Fliehkraft in der Ebene XY <I>zu</I> liegen hat, und d'ass sie mit der Flieh kraft des ursprünglichen Vektors V1 oder V2 des eingangs beschriebenen Falles identisch sein muss. Jede der zwei an der Kurbelwelle angebrachten Massen mo dient zum Ausgleich einer Hälfte der ro tierenden und eines Viertels der hin und her gehen den Massen.
Eine Vereinfachung der angetriebenen Mecha nismen von Hilfseinrichtungen kann dann eintreten, wenn die Hilfswellen in gleicher Entfernung von der Kurbelwelle angeordnet sind, so dass nur drei Zahn räder gleichen Durchmessers anzuwenden sind.
Auf Fig. 3 ist ein Massenausgleich dargestellt, bei welchem ausser den auf der Kurbelwelle vorge sehenen Massen noch drei Massen an den Hilfs wellen angeordnet sind, wobei zwei Massen m-xi und mxxi je auf einer der Zylinderachsen an der Hilfswelle 1 vorgesehen sind und nur eine, das Gegengewicht m2 bildende Masse an einer Seite des Zylinders an der Welle 2.
Dieser Fall kann aus Fig. 2 so abgeleitet werden, dass durch die Vereinigung der Vektoren V'2 und V"2 in einen Vektor<I>V2</I> ein Moment ent steht, welches durch Hinzufügung des entsprechen den Momentpaares zu den Vektoren V'1, V111 be seitigt wird. Die Gegengewichte sind gegenseitig ver schieden versetzt und haben allgemein auch verschie dene Grössen.
Die Fig. 4 und 5 zeigen eine Ausführungsform des Ausgleiches hin und her gehender Massen bei einem Einzylind'ermotor im Falle, dass die Achsen der Hilfswellen 1, 2 in einer zur Zylinderachse senk rechten Ebene und in einer gleichen Entfernung von derselben angeordnet sind. Die Kurbelwelle ist mit zwei Gegengewichten zwecks Ausgleich der rotieren den und der Hälfte der hin und her gehenden Massen versehen.
Von der Kurbelwelle wird die Bewegung durch die Zahnräder Ko, K1 und KD, K2 mit einer Übersetzung 1 : 1 auf die Hilfswellen 1, 2 übertra gen, wobei die Welle 1 zum Antrieb des rotierenden, den Eintritt der Spülluft in das Motorgehäuse bzw. Motorzylinder regulierenden Schiebers<B>9</B> dient.
Die Welle 1 ist in Lagern L gelagert, und an beiden Seiten sind in gleicher Entfernung von der Zylinder achse die gleich grossen Massen mxl und mXX1 an geordnet, von denen jede ein Viertel der hin und her gehenden Massen ausgleicht. Die Masse mxl ist di rekt mit dem Zahnrad K1, das die Hilfswelle 1 an treibt, verbunden, während die Masse m--,x, am Ende der Welle 1 befestigt ist.
Die gegenseitige Lage bei der Massen ist so, dass die entsprechenden Vektoren der Fliehkräfte einen Winkel von 90 einschliessen, wobei der Vektor der Masse mXXl mit dem Vektor der Masse auf der Kurbelwelle im Augenblick, wenn sich diese in oberer Totlage befindet, parallel ist. Das Gegengewicht m2 auf der Hilfswelle 2 ist direkt am Zahnrad K2 befestigt. Das Gegengewicht auf der Welle 2 ist so versetzt, dass, wenn sich die Kurbel in oberer Totlage befindet, seine Fliehkraft senkrecht auf die Ebene der Wellenachsen 0, 2 wirkt.
Das Ende der Hilfswelle 1 ist mit einem Flieh kraftregler versehen, dessen auf der Welle verschieb bare Hülse von den Fliehkräften der Gegengewichte Z, die vorn an das Antriebsrad K1 schwingend be festigt sind, gesteuert wird.
Gleicherweise wie die freie Kraft bei einem Ein- zylindermotor ausgeglichen wird, ist es möglich, auch die freien Kräfte (Kräfte I. Ordnung) bei Mehr- zylindermotoren auszugleichen. Die Art des Aus gleiches bei einem Reihenmotor mit um 180 ver setzten Kurbeln ist auf Fig. 6 dargestellt. Die freien Kräfte wirken in der Zylinderebene.
Mit Hilfe der an der Kurbelwelle angeordneten Gegengewichte wird ausser den, von rotierenden Massen stammenden Kräften noch die Hälfte des durch die hin und her gehenden Massen hervorgerufenen Kräfte ausge glichen. Mit Hilfe von zwei Gegengewichten, die an der Hilfswelle 1 angebracht sind und weiteren zwei Gegengewichten m2, die an der Hilfswelle 2 vor gesehen sind, wird die zweite Hälfte der freien Kräfte der hin und her gehenden Massen in der Weise aus geglichen, d:ass kein Kippmoment in der Querrich tung entsteht.
Hierbei sind die Gegengewichte der selben Hilfswelle gegeneinander um 180 versetzt.
Auf die gleiche Weise können auch die freien Kräfte bei Maschinen mit mehreren Zylindern in mehreren Reihen ausgeglichen werden.
Device for mass balancing in piston engines The invention relates to the device for mass balancing (harmonic force oscillations of the 1st order) in piston engines, especially in two-stroke engines with a cranked crankshaft, in which the free forces caused by the reciprocating masses with the help be balanced on the one hand by counterweights attached to the crankshaft and on the other hand to two auxiliary shafts, with both auxiliary shafts, the axes of which are parallel to the crankshaft axis, but not in one plane with it,
rotate at the same angular speed as the crankshaft.
The device according to the invention is characterized in that two counterweights rotating in opposite directions are provided, one of which is arranged on the crankshaft and the other on a first auxiliary shaft, with the counterweight arranged on the cure belwelle half of the reciprocating masses compensates and generates a centrifugal force that gives a resultant with a first component of the centrifugal force of the counterweight arranged on the first auxiliary shaft, which forms a first couple of forces with the free forces of the reciprocating masses in a transverse plane of the engine, which is formed by a second pair of forces is balanced,
which is preferably formed by the centrifugal forces of two further counterweights rotating in the same direction.
Exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown in the drawing.
Fig. 1 shows a graphical solution of the equalization method of free inertia forces. Single cylinder engine.
Fig. 2 is a schematically illustrated oblique view of the compensating member. FIG. 3 shows an embodiment of the compensating element in a two-stroke single-cylinder engine that is analogous to FIG.
Fig. 4 is a view in partial section through a crankshaft and control mechanism of a two-stroke single cylinder engine.
FIG. 5 shows a view from above of the device shown in FIG.
Fig. 6 is a schematic oblique view of the compensating elements, which is used in a two-cylinder engine with a cure offset by 180 degrees belwelle.
The counterweight mo, which on the one hand compensates for the effect of the rotating masses and on the other hand half of the effect of the reciprocating masses, is attached to the single-cylinder engine on the arms of the crankshaft 0 rotating at an angular speed of co. The vertical component of the centrifugal force VD of the counterweight mo is equal to half the free forces of the masses moving back and forth.
The centrifugal force VD is given by the equation
EMI0001.0046
determines in which for a single cylinder engine the constant A i means the product of the weight of the reciprocating components and the crank arm of the shaft. The crankshaft is shown in this figure in a position offset by an angle <B> 99 </B> from the top dead center.
The component Ui of the same size as VD serves to compensate for the remaining half of the free force originating from the reciprocating masses. Ui is a component of the centrifugal force V1 of the counterweight m1, which, however, is arranged on the auxiliary shaft 1. This auxiliary shaft must run parallel to the crankshaft axis, otherwise its arrangement can be chosen as desired.
The auxiliary shaft 1 is driven by the crankshaft by means of gears Ko, K1 with a ratio of 1: 1 in the direction opposite to the direction of rotation of the crankshaft. The effect of this counterweight is given by the vector U1, which also has an inclination angle of cp with respect to the cylinder axis, but in the opposite direction than the vector Vo. The resultant of the vectors Vo and Ui is equal to the free force (I.
Order) of the reciprocating masses, but where their effect lies outside the cylinder axis, so that they form a torque pair with the free force in the transverse plane of the engine. This tilting moment Ml is sinusoidal according to the relationship
EMI0002.0016
where oil represents the distance from shaft axes 0 and 1, W is the angle given by the expression
EMI0002.0019
is given, where xi, y, represent coordinates of the auxiliary shaft axis 1.
To compensate for this tilting moment, an auxiliary moment pair of centrifugal forces V "and <I> V2 </I> is applied, which are represented by two vectors of the same size that act on the arm 12, which by the removal of the shaft axes 1 and 2 is determined, are mutually offset by 180 and rotate at an angular velocity (o in a direction opposite to the direction of rotation of the crankshaft. V2 represents the centrifugal force of the weight m2 and V_ "a component of the centrifugal force V, represents.
The point of action of one of the vectors Vm is the axis of the cited shaft 1 and the point of action of the second vector Vn is the axis of the second auxiliary shaft 2 carrying the counterweight M2, which can be arranged parallel to the crankshaft axis, but otherwise arbitrarily. Both auxiliary shafts are arranged asymmetrically with respect to the crankshaft axis.
The size of the vectors Vu and V2 is given by the equation
EMI0002.0042
given, where 12 represents the distance between the two auxiliary shafts. The auxiliary shaft 2 is driven by the crankshaft by means of gears K'o and K'2 with a ratio of 1: 1, so that it rotates in the opposite direction to the direction of rotation of the crankshaft.
The vectors V @ i, V2 act in such a way that the angle a measured from the connecting line 12 to the corresponding vector in the direction of its rotation in the recorded direction of rotation of the crankshaft of the equation <I> s = </I> ic <I > + </I> T <I> + </I> - # corresponds to. The resultant V created by the geometric addition of the vectors U1 and VM is realized by the counterweight, which is arranged on the auxiliary shaft 1.
The vector V2 acting on the auxiliary shaft 2 is realized by the counterweight m2 sitting on this shaft.
The balancing system therefore consists of at least three counterweights, one counterweight being provided directly on the crankshaft and further counterweights being provided on two auxiliary shafts 1, 2, which rotate at the same speed as the crankshaft, either both in the opposite direction to the crankshaft direction or one shaft in the same and the other in the opposite direction as the crank shaft. For these auxiliary shafts z. B. existing shafts that are used to drive auxiliary equipment, that is, waves of the control mechanism, the compressor, the injection pump and the like.
The arrangement shown in Fig. 1 of all Ge counterweights in the plane XY, which runs perpendicular through the cylinder axis to the crankshaft axis, is rarely possible, please include from the point of view of construction. In the case of incomplete compensation, that is, if free longitudinal moments are permitted, the counterweights can only be arranged on one side of the cylinder. A complete compensation is achieved by arranging the same on both sides of the cylinder, as can be seen for a single-cylinder engine from sketches 2 to 6.
In Fig. 2 a balance is shown by means of two arranged on the crankshaft, the counterweight mo bil Denden masses WO and m "o and by means of the masses attached to the auxiliary shafts on both sides of the cylinder.
The vectors V'1, V "1 or V'2, <I> V" 2 </I> of the centrifugal forces (not shown) acting on a common shaft are directed in the same direction; To determine their size, the condition applies that their resulting centrifugal force must lie in the plane XY <I> to </I>, and that it must be identical to the centrifugal force of the original vector V1 or V2 in the case described above . Each of the two masses mo attached to the crankshaft serves to balance half of the rotating masses and a quarter of the masses that go back and forth.
A simplification of the driven mechanisms of auxiliary devices can occur if the auxiliary shafts are arranged at the same distance from the crankshaft, so that only three toothed wheels of the same diameter are to be used.
In Fig. 3 a mass balance is shown, in which, in addition to the masses provided on the crankshaft, three masses are arranged on the auxiliary shafts, two masses m-xi and mxxi each being provided on one of the cylinder axes on the auxiliary shaft 1 and only a mass forming the counterweight m2 on one side of the cylinder on shaft 2.
This case can be derived from FIG. 2 in such a way that the union of the vectors V'2 and V "2 in a vector <I> V2 </I> results in a moment which is created by adding the corresponding moment pair to the vectors V'1, V111 is eliminated. The counterweights are mutually offset in different ways and generally also have different sizes.
4 and 5 show an embodiment of the compensation of reciprocating masses in a single cylinder engine in the event that the axes of the auxiliary shafts 1, 2 are arranged in a plane perpendicular to the cylinder axis and at the same distance therefrom. The crankshaft is provided with two counterweights to balance the rotating and half of the reciprocating masses.
The movement of the crankshaft is transmitted through the gears Ko, K1 and KD, K2 with a ratio of 1: 1 to the auxiliary shafts 1, 2, with the shaft 1 driving the rotating, the entry of the scavenging air into the engine housing or engine cylinder regulating slide <B> 9 </B>.
The shaft 1 is mounted in bearings L, and on both sides, the same distance from the cylinder axis, the same masses mxl and mXX1 are arranged, each of which compensates for a quarter of the masses going back and forth. The mass mxl is directly connected to the gear K1, which drives the auxiliary shaft 1, while the mass m -, x, is attached to the end of the shaft 1.
The mutual position of the masses is such that the corresponding vectors of the centrifugal forces enclose an angle of 90, whereby the vector of the mass mXXl is parallel to the vector of the mass on the crankshaft at the moment when it is in top dead center. The counterweight m2 on the auxiliary shaft 2 is attached directly to the gear K2. The counterweight on the shaft 2 is offset so that when the crank is in the top dead position, its centrifugal force acts perpendicularly on the plane of the shaft axes 0, 2.
The end of the auxiliary shaft 1 is provided with a centrifugal force regulator, whose sleeve displaceable on the shaft is controlled by the centrifugal forces of the counterweights Z, which are swinging at the front of the drive wheel K1.
In the same way as the free force is compensated for in a single-cylinder engine, it is also possible to compensate for the free forces (first order forces) in multi-cylinder engines. The type of equalization for an in-line engine with cranks set by 180 ver is shown in FIG. The free forces act in the cylinder plane.
With the help of the counterweights arranged on the crankshaft, in addition to the forces originating from rotating masses, half of the forces caused by the reciprocating masses are compensated. With the help of two counterweights, which are attached to the auxiliary shaft 1 and another two counterweights m2, which are seen on the auxiliary shaft 2, the second half of the free forces of the reciprocating masses is balanced in the way, d: ass no overturning moment arises in the transverse direction.
The counterweights of the same auxiliary shaft are offset from one another by 180.
In the same way, the free forces on machines with several cylinders in several rows can be balanced.