DE102009047545A1

DE102009047545A1 - Mehrzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102009047545A1
Application number: DE200910047545
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Quiring; Harald Stoffels; Heinrich Krzykowski; Michael Röhrig
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2011-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mehrzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, mit einer Kurbelwelle (10), welche im Betrieb der Brennkraftmaschine um eine Kurbelwellenachse (15) rotiert und eine Mehrzahl von in axialer Richtung aufeinander folgenden Kurbelkröpfungen (11, 12, 13) aufweist, von denen jede Kurbelkröpfung (11, 12, 13) jeweils einem Zylinder (1, 2, 3) in der Brennkraftmaschine zugeordnet ist, und einer Ausgleichsanordnung zum wenigstens teilweisen Ausgleich der von umlaufenden Massen an der Kurbelwelle (10) hervorgerufenen Trägheitskräfte. Die Ausgleichsanordnung weist wenigstens zwei Ausgleichsmassen (31, 32) auf, deren Abstand in der axialen Richtung größer ist als der maximale axiale Abstand zwischen den beiden am weitesten voneinander entfernten Kurbelkröpfungen (11, 13), wobei diese Ausgleichsmassen (31, 32) derart ausgelegt sind, dass ein durch die Ausgleichsanordnung erzielter Ausgleich der an der Kurbelwelle (10) hervorgerufenen Trägheitskräfte einem wenigstens 70%-igen Ausgleich der translatorischen Massenkräfte entspricht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mehrzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, mit einer im Betrieb der Brennkraftmaschine um eine Kurbelwellenachse rotierenden Kurbelwelle und einer Ausgleichsanordnung zum wenigstens teilweisen Ausgleich der von umlaufenden Massen an der Kurbelwelle hervorgerufenen Trägheitskräfte.
In einer Mehrzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine mit z. B. drei Zylindern werden Gegengewichts- oder Ausgleichsanordnungen dazu eingesetzt, die auftretenden Vibrationen (insbesondere Anregungen erster Ordnung), welche insbesondere in Form eines Trägheitskräftepaars von dem ersten und dem dritten Zylinder auf die Kurbelwelle ausgeübt werden, zu verringern oder zu verhindern.
Dabei ist es insbesondere Praxis, einen 100%-igen Ausgleich der rotatorischen Massenkräfte bei einem 50%-igem Ausgleich der translatorischen Massenkräfte anzustreben. Aus DE 102 45 376 A1 ist hierzu eine Kurbelwelle für eine Reihen-Dreizylinder-Hubkolbenmaschine bekannt, bei der zur Verringerung der Lagerbelastungen der Kurbelwellenlager zwei Ausgleichsmassen vorgesehen sind, welche einen Winkel von 180° bilden und gleich große und entgegengesetzte Ausgleichskräfte erzeugen, wobei die von den Ausgleichskräften gebildete Ausgleichsebene mit der ersten Kurbelkröpfung einen Winkel von 30° bildet.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Mehrzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine bereitzustellen, welche eine effektive Reduzierung der in der Brennkraftmaschine auftretenden Vibrationen unter gleichzeitiger Gewichtsbegrenzung der hierzu eingesetzten Ausgleichsmassen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 gelöst.
Eine erfindungsgemäße Mehrzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Kurbelwelle, welche im Betrieb der Brennkraftmaschine um eine Kurbelwellenachse rotiert und eine Mehrzahl von in einer zur Kurbelwellenachse axialen Richtung aufeinander folgenden Kurbelkröpfungen aufweist, wobei jede Kurbelkröpfung jeweils einem Zylinder in der Brennkraftmaschine zugeordnet ist, sowie eine Ausgleichsanordnung zum wenigstens teilweisen Ausgleich der von umlaufenden Massen an der Kurbelwelle hervorgerufenen Trägheitskräfte.
Die Mehrzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsanordnung wenigstens zwei Ausgleichsmassen aufweist, deren Abstand in der axialen Richtung größer ist als der maximale axiale Abstand zwischen den beiden am weitesten voneinander entfernten Kurbelkröpfungen, wobei diese Ausgleichsmassen derart ausgelegt sind, dass ein durch die Gegengewichtsanordnung erzielter Ausgleich der an der Kurbelwelle hervorgerufenen Trägheitskräfte einem wenigstens 70%-igen Ausgleich der translatorischen Massenkräfte entspricht.
Dadurch, dass gemäß der Erfindung Ausgleichsmassen nicht bzw. nicht nur an den Kurbelkröpfungen sondern in vergrößertem Abstand voneinander angebracht werden, wird es möglich, infolge des größeren Abstandes der Ausgleichsmassen – zum einen zueinander bzw. in axialer Richtung, zum anderen aber auch gegebenenfalls in zur Kurbelwellenachse radialer Richtung – die Wirkung der aus den Ausgleichsmassen resultierenden Anregung zu steigern.
Infolgedessen können das Gesamtgewicht der Ausgleichsmassen, der Bauraum im Bereich der Kurbelkröpfungen und auch die Kosten der Anordnung vergleichsweise gering gehalten werden, da bereits mit relativ geringem Gesamtgewicht der Ausgleichsmassen eine ausreichende Laufruhe erzielt werden kann.
Die erfindungsgemäße Ausgleichsanordnung wird hierbei so ausgestaltet, dass ein wenigstens 70%-iger, vorzugsweise nahezu 100%-iger Ausgleich der translatorischen Massenkräfte erzielt wird. Der Erfindung verfolgt dabei insbesondere das Konzept, Anregungen gezielt in Fahrzeuglängsrichtung zu erzeugen, um im Gegenzug Anregungen in vertikaler Richtung gering zu halten.
Dieser Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass auch ein hohes Maß an Schwingungen in Fahrzeuglängsrichtung (d. h. ein hohes Maß der sogenannten ”Gieranregung”) bei zugleich vergleichsweise geringen Anregungen in vertikaler Richtung (d. h. einem geringen Maß an ”Nickanregung”) sich aufgrund der Übertragungsfunktionen im Kraftfahrzeug als günstig erweist und letztendlich wesentlich geringere Schwingungen an Sitzschiene und Lenkrad zur Folge hat, als dies etwa bei einem 30%-igen oder 50%-igen Ausgleich der translatorischen Massenkräfte der Fall ist.
Gemäß einer Ausführungsform sind die wenigstens zwei Ausgleichsmassen in unterschiedlichen radialen Abständen von der Kurbelwellenachse angeordnet, in welchem Falle eine weitere Effizienzsteigerung der Schwingungsunterdrückung auch bei geringem Gesamtgewicht der Ausgleichsmassen erzielt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Ausgleichsmassen zueinander in einem Winkel von 180° ± 5° angeordnet bzw. in einer gemeinsamen Ebene, welche senkrecht zur Kurbelwellenachse verläuft.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine der Ausgleichsmassen an einer Riemenscheibe der Brennkraftmaschine angeordnet. Des Weiteren kann eine der Ausgleichsmassen an einem Schwungrad der Brennkraftmaschine angeordnet sein. Diese Positionen sind besonders geeignet, da der Durchmesser des Schwungrades wesentlich größer als der Durchmesser der Riemenscheibe ist, so dass signifikant unterschiedliche radiale Abstände der Ausgleichsmassen zur Kurbelwellenachse bereitgestellt werden.
Die erfindungsgemäße Mehrzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine kann eine Dreizylinder-Reihen-Brennkraftmaschine oder eine Fünfzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine sein.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer mit einer erfindungsgemäßen Gegengewichtsanordnung versehenen Kurbelwelle für einen Verbrennungsmotor mit drei Zylindern; und
2 eine schematische Seitenansicht zu der Anordnung von 1.
Gemäß 1 weist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit drei Zylindern 1, 2 und 3 und darin beweglichen Kolben 4, 5 und 6 eine Kurbelwelle 10 auf, welche im Betrieb der Brennkraftmaschine um eine im eingezeichneten Koordinatensystem in x-Richtung verlaufende Kurbelwellenachse 15 rotiert und drei entlang dieser Kurbelwellenachse 15 aufeinander folgende, in 1 vereinfacht linear dargestellte Kurbelkröpfungen 11, 12 und 13 besitzt, die typischerweise in Winkelabständen von 120° um die Kurbelwellenachse 15 herum verteilt sind.
Mit der Bezugsziffer ”21” ist eine Riemenscheibe, und mit ”22” ein Schwungrad der Brennkraftmaschine dargestellt.
Gemäß 1 ist weiter eine Ausgleichsanordnung mit zwei Ausgleichsmassen 31, 32 vorgesehen. Diese Ausgleichsanordnung dient zum wenigstens teilweisen Ausgleich der von den umlaufenden Massen an der Kurbelwelle 10 hervorgerufenen Trägheitskräfte. Wenngleich in 1 nicht dargestellt, können zusätzlich zu den Ausgleichsmassen 31, 32 weitere Ausgleichsmassen bzw. Gegengewichte, z. B. an den Kurbelkröpfungen 11 und 13, angeordnet sein.
Die Ausgleichsmassen 31, 32 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zueinander in einem Winkel von im Wesentlichen 180° (z. B. 180° ± 5°) angeordnet, d. h. in einer gemeinsamen Ebene, welche senkrecht zur Kurbelwellenachse 15 verläuft.
Des Weiteren ist von diesen Ausgleichsmassen 31, 32 die eine Ausgleichsmasse 31 an der Riemenscheibe 21 und die andere Ausgleichsmasse 32 am Schwungrad 22 angeordnet. Infolgedessen ist der Abstand der Ausgleichsmassen 31, 32 entlang der in axialer Richtung verlaufenden Kurbelwellenachse 15 größer als der maximale Abstand der beiden äußeren bzw. der beiden in axialer Richtung am weitesten voneinander entfernten Kurbelkröpfungen 11 und 13.
Infolge des im Vergleich zu einer Ausgleichsanordnung mit ausschließlich im Bereich der Kurbelkröpfungen 11, 13 vorhandenen Gegengewichten bzw. Ausgleichsmassen größeren Abstandes der erfindungsgemäßen Ausgleichsmassen 31, 32 – sowohl zueinander als auch in der zur Kurbelwellenachse 15 radialen Richtung – kann das Gesamtgewicht der insgesamt benötigten Ausgleichsmassen geringer gehalten werden, als wenn ausschließlich an den Kurbelkröpfungen 11, 13 Ausgleichsmassen angebracht werden, da die Wirkung der von den erfindungsgemäßen Ausgleichsmassen ausgehenden Anregung gesteigert und somit bereits mit einem geringen Gesamtgewicht der Ausgleichsmassen ein signifikanter Effekt bzw. eine hinreichende Laufruhe erzielt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10245376 A1 [0003]

Claims

Mehrzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, mit: einer Kurbelwelle (10), welche im Betrieb der Brennkraftmaschine um eine Kurbelwellenachse (15) rotiert und eine Mehrzahl von in einer zur Kurbelwellenachse (15) axialen Richtung aufeinanderfolgenden Kurbelkröpfungen (11, 12, 13) aufweist, wobei jede Kurbelkröpfung (11, 12, 13) jeweils einem Zylinder (1, 2, 3) in der Brennkraftmaschine zugeordnet ist; und einer Ausgleichsanordnung zum wenigstens teilweisen Ausgleich der von umlaufenden Massen an der Kurbelwelle (10) hervorgerufenen Trägheitskräfte; dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsanordnung wenigstens zwei Ausgleichsmassen (31, 32) aufweist, deren Abstand in der axialen Richtung größer ist als der maximale axiale Abstand zwischen den beiden am weitesten voneinander entfernten Kurbelkröpfungen (11, 13), wobei diese Ausgleichsmassen (31, 32) derart ausgelegt sind, dass ein durch die Ausgleichsanordnung erzielter Ausgleich der an der Kurbelwelle (10) hervorgerufenen Trägheitskräfte einem wenigstens 70%-igen Ausgleich der translatorischen Massenkräfte entspricht.
Mehrzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Ausgleichsmassen (31, 32) derart ausgelegt sind, dass ein durch die Ausgleichsanordnung erzielter Ausgleich der an der Kurbelwelle (10) hervorgerufenen Trägheitskräfte einem wenigstens 90%-igen, weiter insbesondere 95%-igen, weiter insbesondere 100%-igen Ausgleich der translatorischen Massenkräfte entspricht.
Mehrzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Ausgleichsmassen (31, 32) derart ausgelegt sind, dass diese eine Schwingungsanregung in Längsrichtung des Kraftfahrzeuges im Vergleich zu einer entsprechenden Ausgleichsanordnung ohne diese Ausgleichsmassen (31, 32) erhöhen.
Mehrzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Ausgleichsmassen (31, 32) in unterschiedlichen radialen Abständen von der Kurbelwellenachse (15) angeordnet sind.
Mehrzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Ausgleichsmassen (31, 32) zueinander in einem Winkel von 180° ± 5° angeordnet sind.
Mehrzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Ausgleichsmassen (31, 32) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, welche senkrecht zur Kurbelwellenachse (15) verläuft.
Mehrzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Ausgleichsmassen (31) an einer Riemenscheibe (21) der Brennkraftmaschine angeordnet ist.
Mehrzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Ausgleichsmassen (32) an einem Schwungrad (22) der Brennkraftmaschine angeordnet ist.
Mehrzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine eine Dreizylinder-Reihen-Brennkraftmaschine ist.
Mehrzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine eine Fünfzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine ist.