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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausgleich der Massenkräfte zweiter Ordnung für eine Reihenhubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Im Stand der Technik werden Ausgleichwellengehäuse an einer Unterseite des Zylinderkurbelgehäuses, beispielsweise auf Höhe eines Ölwannenflanschs, angeflanscht. Der Antrieb erfolgt ausgehend von der Kurbelwelle mittels einer Zahnradstufe. Hierbei entsteht aufgrund der Drehungleichförmigkeit der Kurbelwelle eine Drehschwingungsanregung der Ausgleichswellen. Um ein Zahnradheulen und/oder Rasseln zu verhindern, muss das Zahnflankenspiel zwischen den Zahnrädern sehr gering sein und muss daher hochgenau gefertigt und eingestellt werden. Bei Motoren mit Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse vergrößert sich das Zahnflankenspiel im Betrieb aufgrund der höheren Wärmedehnung des Aluminiums gegenüber den Stahlbauteilen (Kurbelwelle, Zahnräder). Dies führt zu einer erhöhten Geräuschentwicklung, welche über aufwendige Maßnahmen verringert werden muss (Sonderverzahnung, Verspannung der Zahnräder gegeneinander).
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Eine weitere bekannte Ausführungsform ist die Integration der so genannten Lanchesterlagerung in einen Kurbelwellenlagerdeckel oder das Kurbelgehäuseunterteil, auch als Bedplate bezeichnet. Dabei wird das oben beschriebene Problem der Wärmedehnung bei Fertigung des Kurbelwellenlagerdeckels aus Eisen- oder Stahlwerkstoff umgangen, jedoch tritt dabei die Schwierigkeit auf, dass die Unwuchtkraft des Lanchesterantriebs zusätzlich zur Kurbelwellenkraft über eine Hauptlagerverschraubung in das Zylinderkurbelgehäuse eingeleitet werden muss. Um die Betriebssicherheit sicherzustellen, muss daher die Verschraubung und/oder ein so genannter Lagerstuhl ausreichend robust gestaltet werden. Daraus resultiert ein höheres Bauteilgewicht, welches ein Fahrzeuggewicht, einen Verbrauch und/oder eine Schadstoffemission des Fahrzeugs erhöht.
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In der
DE 199 36 103 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Lanchestermassenausgleich beschrieben, bei welcher die Ausgleichswellen unterhalb der Kurbelwelle in Lagern gelagert sind, die durch die entsprechend verlängerte Kurbelwellenlagerschrauben befestigt sind.
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In der
DE 102 57 562 A1 ist ein Massenausgleich für einen Verbrennungsmotor beschrieben, wobei in einem Motorgehäuse eines Verbrennungsmotors unterhalb einer Kurbelwelle wenigstens eine durch die Kurbelwelle betätigte Ausgleichswelle angeordnet ist, die an wenigstens einer Stelle in einem einstückig ausgebildeten Lagerbock geführt ist. Der Lagerbock ist mit in Durchgangslöchern im Motorblock aufgenommenen Durchgangsschrauben am Motorblock befestigt.
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In der
DE 102 40 713 A1 ist eine Massenausgleichsvorrichtung beschrieben, bei welcher ein Massenausgleichsgetriebe bereitgestellt wird, das an der Brennkraftmaschine wahlweise anbaubar ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Ausgleichswellen in einem unabhängig von der Ölwanne ausgebildeten Rahmen gelagert sind, der an dem Kurbelgehäuse zentriert befestigt ist und wobei an der von der Kurbelwelle angetriebenen Ausgleichswelle axial zu dem Verbindungszahnrad ein Antriebszahnrad angeordnet ist, das mit einem an dem Rahmen gelagerten Zwischenrad kämmt, das seinerseits mit einem Treibrad auf dem Kurbelwellenende in Verbindung steht. Durch diese Ausbildung ist es problemlos möglich, die entsprechende Brennkraftmaschine je nach Anforderung mit oder ohne Massenausgleichsgetriebe zu versehen.
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In der
EP 1 024 276 B1 ist eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer in Lagern aufgenommenen Kurbelwelle und einem Massenausgleich erster Ordnung und einem Lanchesterausgleich beschrieben, zu dem zwei in Lagern aufgenommene Wellen gehören, die in einem Kurbelgehäuse aufgenommen sind, wobei zumindest ein Lagerunterteil des Lagers der Kurbelwelle mit mindestens einem Lager der Lanchesterwelle zu einem einteiligen Bauteil verbunden ist, wobei das einteilige Bauteil einerseits an ein Lageroberteil der Kurbelwelle, andererseits an ein Lagerunterteil der Lanchesterwelle angeschlossen ist.
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Die US 2002 / 0 112 921 A1 offenbart eine Ausgleichswellenvorrichtung für einen Motor, mit einem Lagerbalken, welcher eine Kurbelwelle des Motors abstützt und unterhalb eines Zylinderblocks angeordnet ist.
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Des Weiteren ist aus der
DE 199 02 920 A1 eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer in Lagern aufgenommenen Kurbelwelle und einem Massenausgleich erster Ordnung und einem Massenausgleich (Lancaster) zweiter Ordnung als bekannt zu entnehmen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zum Ausgleich der Massenkräfte zweiter Ordnung für eine Reihenhubkolbenbrennkraftmaschine anzugeben.
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Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ausgleich der Massenkräfte zweiter Ordnung für eine Reihenhubkolbenbrennkraftmaschine mit zwei mit doppelter Kurbelwellendrehzahl gegenläufig betriebenen Ausgleichswellen, welche in einem Ausgleichwellengehäuse unterhalb einer Kurbelwelle innerhalb einer unter einem Zylinderkurbelgehäuse angebrachten Ölwanne angeordnet sind, wobei die Ausgleichswellen über endseitig angeordnete Verbindungszahnräder in treibender Verbindung stehen und eine der Ausgleichswellen von der Kurbelwelle angetrieben ist, ist das Ausgleichwellengehäuse direkt an einer Flanschfläche am Zylinderkurbelgehäuse befestigt und die Flanschfläche ist im Bereich einer Kurbelwellenmittenachse angeordnet.
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Dadurch wird vorteilhafterweise die Wärmedehnung zwischen den Kurbelwellen- und den Ausgleichswellenzahnrädern angeglichen und es entsteht bei Erwärmung der Reihenhubkolbenbrennkraftmaschine keine Vergrößerung des Achsabstandes zwischen der Kurbelwelle und den Ausgleichswellen. Somit ist das Geräuschverhalten des gesamten Ausgleichswellenantriebes verbessert und es kann auf kostenintensive Maßnahmen zur Geräuschreduzierung, welche bei der Darlegung des Stands der Technik bereits beschrieben wurden, verzichtet werden.
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Des Weiteren ist das Ausgleichswellengehäuse aus Eisen oder einer Eisenlegierung gefertigt.
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Zudem sind das Ausgleichswellengehäuse und ein Kurbelwellenlagerdeckel als zwei separate Bauteile ausgeformt und unabhängig voneinander an der Flanschfläche des Zylinderkurbelgehäuses befestigt. Das Ausgleichswellengehäuse ist an einer Kontaktfläche zur Flanschfläche des Zylinderkurbelgehäuses korrespondierend zur Flanschfläche ausgebildet.
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Besonders vorteilhaftweise resultiert aus der getrennten und unabhängigen Befestigung von Ausgleichswellengehäuse und Kurbelwellenlagerdeckel am Zylinderkurbelgehäuse eine getrennte Kraftflusseinleitung in das Zylinderkurbelgehäuse. Aufgrund dieser getrennten Kraftflusseinleitung von Ausgleichswellenkraft und Kurbelwellenkraft und der daraus resultierenden über die Breite des Zylinderkurbelgehäuses verteilten und homogenisierten Kraftflusseinleitung kann das Zylinderkurbelgehäuse gewichtsoptimal gestaltet werden.
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Durch die getrennte Befestigung von Ausgleichswellengehäuse und Kurbelwellenlagerdeckel am Zylinderkurbelgehäuse ist zweckmäßigerweise die Montage der Reihenhubkolbenbrennkraftmaschine vereinfacht.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Reihenhubkolbenbrennkraftmaschine im Bereich einer Vorrichtung zum Ausgleich der Massenkräfte zweiter Ordnung.
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Einander entsprechende Teile sind in der Figur mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch eine Schnittdarstellung einer als Reihenhubkolbenbrennkraftmaschine 1 ausgebildeten Brennkraftmaschine im Bereich einer Vorrichtung 2 zum Ausgleich der Massenkräfte zweiter Ordnung dargestellt.
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Die Reihenhubkolbenbrennkraftmaschine 1 umfasst zumindest ein herkömmliches Zylinderkurbelgehäuse 3, einen daran befestigten Kurbelwellenlagerdeckel 4, eine zwischen Zylinderkurbelgehäuse 3 und Kurbelwellenlagerdeckel 4 gelagerte Kurbelwelle 5 und die Vorrichtung 2.
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Die Vorrichtung 2 zum Ausgleich der Massenkräfte zweiter Ordnung umfasst zwei mit doppelter Kurbelwellendrehzahl gegenläufig betriebene Ausgleichswellen 6.1 und 6.2, welche in einem Ausgleichswellengehäuse 7 unterhalb der Kurbelwelle 5 innerhalb einer unter dem Zylinderkurbelgehäuse 3 angebrachten, nicht dargestellten Ölwanne angeordnet sind. Die Ausgleichswellen 6.1 und 6.2 stehen über endseitig angeordnete Verbindungszahnräder 8 in treibender Verbindung und die Ausgleichswelle 6.1 ist von einem auf der Kurbelwelle 5 angeordnetem Zahnrad 9 angetrieben.
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Die Vorrichtung 2 zum Ausgleich der Massenkräfte zweiter Ordnung ist als so genannter Lanchesterausgleich ausgebildet.
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Der Lanchesterausgleich dient dazu, die freien Massenkräfte zweiter Ordnung zu beseitigen, die bei einem Reihenvierzylinderviertakthubkolbenmotor auftreten. Der Lanchesterausgleich umfasst daher die zwei Ausgleichswellen 6.1 und 6.2.
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Diese Reihenvierzylinderviertakthubkolbenmotoren werden meist so gebaut, dass die inneren Kolben gegenphasig zu den äußeren laufen. Wenn die äußeren Zylinder 1 und 4 im oberen Totpunkt sind, dann sind die inneren Zylinder 2 und 3 im unteren Totpunkt und umgekehrt. Dadurch sind die Massenkräfte erster Ordnung ausgeglichen, und die Zylinder 1 bis 4 zünden in gleichmäßigen Abständen (180° Kurbelwinkel).
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Die Massenkräfte zweiter Ordnung entstehen dadurch, dass die Pleuel bei der Bewegung des Kurbeltriebs gegenüber der Zylinderachse gekippt werden. Bei gekippten Pleueln ist der parallel zur Zylinderachse gemessene Abstand des Kolbens vom Hubzapfen geringer. Wenn die Kolben in ihren Totpunkten sind, dann stehen die Pleuel senkrecht. Wenn die Kurbelwelle demgegenüber um 90° gedreht ist, stehen alle Pleuel schräg, und der gemeinsame Schwerpunkt aller Kolben ist dadurch weiter unten als in den Totpunkten. Dieser gemeinsame Schwerpunkt bewegt sich also ständig auf und ab, und zwar bei jeder halben Kurbelwellenumdrehung.
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Der Lancaster-Ausgleich besteht aus den zwei Ausgleichswellen 6.1 und 6.2, die gegenläufig und mit doppelter Kurbelwellendrehzahl rotieren. An ihnen ist je ein Gegengewicht angebracht, deren gemeinsamer Schwerpunkt sich gegenphasig zum Schwerpunkt der Kolben auf und ab bewegt. Die Ausgleichswellen 6.1 und 6.2 müssen so angeordnet sein, dass die Schwerpunkte von Kolben und Gegengewichten auf einer Linie parallel zu den Zylinderachsen liegen. Der gemeinsame Schwerpunkt aller Teile (Kolben und Gegengewichte) bewegt sich dann praktisch nicht mehr, bis auf die Anteile freier Massenkräfte höherer Ordnung, die aber sehr schwach sind.
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Am Zylinderkurbelgehäuse 3 ist an einem unteren, in Richtung der Vorrichtung 2 weisenden Ende eine Flanschfläche 10 angeordnet. Diese Flanschfläche 10 ist vorzugsweise in einem Bereich einer Kurbelwellenmittenachse 11 angeordnet, welcher sich annähernd in Höhe einer Kurbelwellenmittenachse 11 befindet.
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Ein maximaler Abstand B, welcher den Abstand zwischen der Flanschfläche 10 und der Kurbelwellenmittenachse 11 bezeichnet, liegt in einem Bereich, welcher sich im Verhältnis zu einem Achsabstand A zwischen der Kurbelwelle 5 und den Ausgleichswellen 6.1 und 6.2 wie folgt ergibt:
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An der Flanschfläche 10 ist in herkömmlicher Art und Weise ein Kurbelwellenlagerdeckel 4 befestigt, beispielsweise geschraubt.
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Zwischen Zylinderkurbelgehäuse 3 und Kurbelwellenlagerdeckel 4 ist in herkömmlicher Weise eine Kurbelwellengleitlagerung gebildet, mittels welcher die Kurbelwelle 5 in der Reihenhubkolbenbrennkraftmaschine 1 gelagert ist.
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Das Ausgleichswellengehäuse 7 ist direkt an der Flanschfläche 10 befestigt, beispielsweise mittels mehrerer Schrauben 12 angeschraubt.
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Das Ausgleichswellengehäuse 7 ist an einer Kontaktfläche zur Flanschfläche 10 des Zylinderkurbelgehäuses 3 korrespondierend zur Flanschfläche 10 ausgebildet. In das Ausgleichswellengehäuse 7 ist im Bereich der Kontaktfläche zur Flanschfläche 10 eine Aussparung 13 eingebracht, welche korrespondierend zu den Schrauben 12 ausgebildet ist.
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Das Ausgleichswellengehäuse 7 und der Kurbelwellenlagerdeckel 4 sind als zwei separate Bauteile ausgeformt und unabhängig voneinander an der Flanschfläche 10 des Zylinderkurbelgehäuses 3 befestigt.
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Dadurch wird vorteilhafterweise die Wärmedehnung zwischen dem an der Kurbelwelle 5 befestigten Zahnrad 9 und den Verbindungszahnrädern 8 an den Ausgleichswellen 6.1 und 6.2 angeglichen und es entsteht bei Erwärmung der Reihenhubkolbenbrennkraftmaschine 1 keine Vergrößerung des Achsabstandes A zwischen der Kurbelwelle 5 und den Ausgleichswellen 6.1 und 6.2. Somit ist das Geräuschverhalten des gesamten Ausgleichswellenantriebes verbessert und es kann auf kostenintensive Maßnahmen zur Geräuschreduzierung, welche bei der Darlegung des Stands der Technik bereits beschrieben wurden, verzichtet werden.
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Besonders vorteilhaftweise resultiert aus der getrennten und unabhängigen Befestigung von Ausgleichswellengehäuse 7 und Kurbelwellenlagerdeckel 4 am Zylinderkurbelgehäuse 3 eine getrennte Kraftflusseinleitung in das Zylinderkurbelgehäuse 3. Aufgrund dieser getrennten Kraftflusseinleitung von Ausgleichswellenkraft und Kurbelwellenkraft und der daraus resultierenden über die gesamte Breite des Zylinderkurbelgehäuses 3 verteilten und homogenisierten Kraftflusseinleitung kann das Zylinderkurbelgehäuse 3 gewichtsoptimal gestaltet werden. Insbesondere kann auf konstruktive Verstärkungsmaßnahmen an den herkömmlichen Krafteinleitungspunkten des Zylinderkurbelgehäuses 3 verzichtet werden.
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Durch die getrennte Befestigung von Ausgleichwellensgehäuse 7 und Kurbelwellenlagerdeckel 4 am Zylinderkurbelgehäuse 3 ist zweckmäßigerweise die Montage der Reihenhubkolbenbrennkraftmaschine 1 vereinfacht.
