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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Massenausgleich der beim Betreiben einer Hubkolben-Kurbelwellenmaschine entstehenden freien Massenkräfte und/oder Massenkraftmomente sowie der Wechseldrehmomente (Kippmomente) um die Kurbelwellenachse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Bei einem Betrieb von Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen treten insbesondere durch die Bewegungen der Kolben und der Pleuel freie Massenkräfte und -momente auf, die das Laufverhalten und die Laufruhe der Hubkolbenmaschine wesentlich beeinflussen. Zum Ausgleich dieser auftretenden freien Kräfte und Momente werden Ausgleichswellen eingesetzt, die mit exzentrisch angeordneten Gegengewichten versehen sind und die von der Kurbelwelle angetrieben werden.
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Aus der
DE 36 42 487 C2 ist eine Vorrichtung zum Ausgleich der an Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen auftretenden Kippmomente mittels einer Schwungmasse bekannt, die eine den Kippmomenten entgegen gerichtete oszillierende Drehbewegung ausführt. Dabei wird die Schwungmasse von der Kurbelwelle über ein Getriebe angetrieben. Der Antrieb der Schwungmasse besteht aus einem starr auf der Kurbelwelle gehaltenen Antriebsrad, das ein Zwischenrad antreibt. Das Zwischenrad ist seinerseits über eine Hubstange mit dem Schwungrad verbunden. Die Hubstange ist sowohl an dem Zwischenrad als auch an dem Schwungrad exzentrisch angelenkt, so dass bei einer Umdrehung des Zwischenrades das Schwungrad eine oszillierende Drehbewegung um einen Schwenkwinkel ausführt, dessen Größe von der Exzentrizität der Anlenkung der Hubstange an dem Zwischenrad bzw. dem Schwungrad abhängt. Die Zahnradübersetzung zwischen dem Antriebsrad und dem Zwischenrad ist so gewählt, dass die Frequenz der oszillierenden Drehbewegung des Schwungrades der auszugleichenden Momentenordnung entspricht. Bei einem Momentenausgleich zweiter Ordnung beträgt die Übersetzung zwischen dem Antriebsrad und dem Zwischenrad 1:2, so dass das Zwischenrad mit der doppelten Drehzahl der Kurbelwelle umläuft und dementsprechend auch die Frequenz der oszillierenden Drehbewegung des Schwungrades doppelt so groß ist wie die Frequenz der Kurbelwelle. Nachteilig ist hierbei, dass der Massenausgleich durch eine oszillierend angetriebene Schwungmasse erzeugt wird, die insbesondere die Kippmomente nur im niedrigen Drehzahlbereich ausgleicht. Bei höheren Drehzahlen der Kurbelwelle wird der Antrieb der Schwungmasse abgeschaltet und der Massenausgleich erfolgt danach über eine kontinuierlich angetriebene Massenausgleichswelle.
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Aus der
DE 691 03 718 T2 ist eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben von zwei Massenausgleichswellen zum Ausgleichen der Massenträgheitskräfte zweiter Ordnung bekannt. Die beiden Massenausgleichswellen werden dabei mit doppelter Kurbelwellendrehzahl und gegenläufig zueinander drehend angetrieben. Dabei wird die erste Massenausgleichswelle über einen Ketten- oder Riementrieb von der Kurbelwelle mit doppelter Kurbelwellendrehzahl angetrieben. Die Kurbelwelle und die erste Massenausgleichswelle weisen eine gleiche Drehrichtung auf. Die zweite Massenausgleichswelle wird über ein Getriebe von der ersten Massenausgleichswelle gegenläufig angetrieben. Der Antrieb der zweiten Massenausgleichswelle erfolgt dabei über eine Koppel, die exzentrisch an der ersten und der zweiten Massenausgleichswelle angelenkt ist.
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Nachteilig hierbei ist, dass einerseits nur eine Ordnung (nämlich die zweite) ausgeglichen werden kann und der Massenausgleich über zwei angetriebene Massenausgleichswellen erfolgt, wodurch der Aufwand erheblich erhöht wird. Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik besteht darin, dass der Antrieb der Massenausgleichswellen über ein Zahnradgetriebe oder über einen Kettentrieb akustische Beeinträchtigungen zur Folge hat.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Massenausgleich der beim Betreiben einer Hubkolben-Kurbelwellenmaschine entstehenden freien Massenkräfte und/oder Massenkraftmomente sowie der Kippmomente zu schaffen, mit der mit geringem Bau- und Geräteaufwand gleichzeitig ein Ausgleich der beim Betrieb einer Hubkolben-Kurbelwellenmaschine entstehenden Kräfte und Momente erster und zweiter Ordnung erfolgt und die sich durch einen geräuscharmen Betrieb auszeichnet.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß erfolgt der Massenausgleich der beim Betreiben einer Hubkolben-Kurbelwellenmaschine entstehenden Kräfte und Momente durch eine mit einem oder mehreren exzentrischen Gegengewichten versehene Massenausgleichswelle, die über ein Antiparallelkurbelgetriebe gegenüber einer Kurbelwelle der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine gegenläufig und mit einer gegenüber der Kurbelwelle ungleichförmigen Drehzahl während einer Umdrehung der Kurbelwelle und der Massenausgleichswelle angetrieben wird. Das Antiparallelkurbelgetriebe wird gebildet aus einem mit der Kurbelwelle fest verbundenen Exzenter, der gelenkig über eine Koppel mit einem fest an der Massenausgleichswelle angeordneten Exzenter verbunden ist.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass aufgrund der gegenüber der Kurbelwelle gegenläufig und ungleichförmig angetriebenen Massenausgleichswelle die beim Betrieb einer Hubkolben-Kurbelwellenmaschine entstehenden Massenkräfte und -momente sowie Kippmomente der ersten und zweiten Ordnung durch nur eine Massenausgleichswelle ausgeglichen werden. Dadurch reduziert sich der Bau- und gerätetechnische Aufwand erheblich. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Antrieb der Massenausgleichswelle mittels des Antiparallelkurbelgetriebes geräuschärmer gegenüber einem Antrieb durch Kettentrieb oder Zahnradgetriebe ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben, sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.
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Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
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1: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Lösung an einer Hubkolben-Kurbelwellenmaschine mit einer Massenausgleichswelle,
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2: eine schematische Darstellung des Drehzahlverlaufs der Kurbelwelle und der Massenausgleichswelle bezogen auf 360° Kurbelwinkel und
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3: das jeweilige Amplitudenverhältnis der entstehenden freien Kräfte bezogen auf die Kräfte der ersten Ordnung bei unterschiedlichen Koppel-Kurbel-Verhältnissen.
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Die in der 1 schematisch dargestellte Hubkolben-Kurbelwellenmaschine besteht aus einem Kolben 1, der in einem nicht dargestellten Zylinder axial beweglich gelagert ist. Der Kolben 1 ist in üblicher Weise über ein Pleuel 2 exzentrisch mit einer Kurbelwelle 4 verbunden. Parallel zu der Kurbelwelle 4 ist eine Massenausgleichswelle 8 angeordnet, die zur Drehachse der Massenausgleichswelle 8 exzentrisch angeordnete Ausgleichsmassen aufweist. Die Massenausgleichswelle 8 kann mehrere Gegengewichte entlang ihrer Achse aufweisen, die je nach Phasenlage entweder Kräfte oder Momente oder eine Kombination aus beiden erzeugen können. Die erfindungsgemäße Lösung wird erläutert an einer Einzylinder-Hubkolben-Kurbelwellenmaschine, bei der die erste Ordnung dominiert. Die erfindungsgemäße Lösung ist analog auch für Mehrzylinder-Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen einsetzbar, bei denen je nach Bauart die erste oder die zweite Ordnung dominieren kann.
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Der Antrieb der Massenausgleichswelle 8, bei der der Schwerpunkt des Gegengewichtes mit S gekennzeichnet ist, erfolgt von der Kurbelwelle 4 über ein Antiparallelkurbelgetriebe 3. Das Antiparallelkurbelgetriebe 3 besteht aus einem fest mit der Kurbelwelle 4 verbundenen Exzenter 5 und einem fest mit der Massenausgleichswelle 8 verbundenen Exzenter 7, wobei der Exzenter 5 mit dem Exzenter 7 über eine Koppel 6 gelenkig miteinander verbunden ist. Zur Vermeidung eines Getriebestillstandes ist das Antiparallelkurbelgetriebe 3 mit einer an sich bekannten Hilfsverzahnung versehen, die ein Weiterdrehen des Getriebes bei einer Totlage der Getriebeglieder ermöglicht. Durch die Ausbildung des Antiparallelkurbelgetriebes 3 wird erreicht, dass die Massenausgleichswelle 8 gegenüber der Kurbelwelle 4 gegenläufig angetrieben wird. Durch die Größe und Anordnung des Exzenters 5 an der Kurbelwelle 4 und des Exzenters 7 an der Massenausgleichswelle 8 wird ein gegenüber der Kurbelwelle 4 ungleichförmiger Drehzahlverlauf der Massenausgleichswelle 8 erzielt. Durch die ungleichförmige Bewegung der Massenausgleichswelle 8 können gleichzeitig die beim Betrieb der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine entstehenden Kräfte und Momente der ersten und zweiten Ordnung mit nur einer Massenausgleichswelle 8 ausgeglichen werden. Durch die Position der Massenausgleichswelle 8 relativ zur Kurbelwelle 4 kann ebenfalls der Ausgleich des Kippmomentes beeinflusst werden. Dieses erfolgt durch die Abstimmung des zwischen Kurbelarm und Exzenter 7 gebildeten Winkels β, mit dem zwischen dem Exzenter 5 und dem Schwerpunkt S des Gegengewichts der Massenausgleichswelle 8 gebildeten Winkel γ und dem zwischen der Zylinderachse und der Verbindungslinie von Kurbelwellen- und Ausgleichswellenachse gebildeten Winkel α. Durch die Variation des Winkels α können sowohl die Amplituden als auch die Phasenlagen der einzelnen Ordnungen des Kippmomentes verändert werden. Wenn dabei die Summe der Winkel α und γ konstant gehalten wird, ändert sich der Verlauf der Massenkräfte über 360° Kurbelwinkel nicht. Bei der Modifikation des Winkels β ändert die Phasenlage von Kippmoment und Massenkraft, jedoch nicht deren Verlauf oder Amplitudenwerte.
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In der 2 ist der Drehzahlverlauf der Kurbelwelle 4 und der durch die Kurbelwelle 4 über das Antiparallelkurbelgetriebe 3 angetriebenen Massenausgleichswelle 8 über einen Kurbelwinkel von 360° abgebildet. Dabei ist mit 9 der Drehzahlverlauf der Kurbelwelle 4 und mit 10 der Drehzahlverlauf der Massenausgleichswelle 8 dargestellt. Aus der 2 ist ersichtlich, dass bei einer konstanten Drehzahl der Kurbelwelle 4 von beispielsweise 3000 Umdrehungen/min der Drehzahlverlauf der Massenausgleichswelle 8 einen ungleichförmigen Verlauf annimmt und bei jeder Umdrehung somit teilweise über und unter dem Drehzahlverlauf der Kurbelwelle 4 liegt.
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Der Abstand zwischen der Kurbelwelle 4 und der Massenausgleichswelle 8 ist in der 1 mit L1 und die Länge der Koppel 6 ist mit L2 bezeichnet. Die Länge L2 der Koppel 6 entspricht dem Abstand L1 zwischen der Kurbelwelle 4 und der Massenausgleichswelle 8. Ebenso muss die Länge des Exzenters 5 mit der Länge des Exzenters 7 übereinstimmen, da sonst kein umlauffähiges Koppelgetriebe möglich wäre. Das Verhältnis der Länge L2 der Koppel 6 gegenüber der Länge des Exzenters 5 ist bestimmend für den Ausgleich der auftretenden Kräfte und Momente der einzelnen Ordnungen der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine. Dabei liegt das optimale Verhältnis der Länge L2 der Koppel 6 gegenüber der Länge des Exzenters 5 bzw. des Exzenters 7 für eine Hubkolben-Kurbelwellenmaschine mit dominierender erster Ordnung im Bereich zwischen 4:1 bis 10:1. Für Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen mit dominierender zweiter Ordnung liegt das optimale Verhältnis der Länge L2 der Koppel 6 gegenüber der Länge des Exzenters 5 bzw. des Exzenters 7 im Bereich zwischen 1:1 bis 4:1.
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In der 3 ist das jeweilige Amplitudenverhältnis der entstehenden freien Kräfte bezogen auf die Kräfte der ersten Ordnung bei unterschiedlichen Koppel-Kurbel-Verhältnissen dargestellt. Dabei ist auf der Abszisse das jeweilige Längenverhältnis der Koppel 6 zu den Längen der Exzenter 5 bzw. 7 und auf der Ordinate das Amplitudenverhältnis der durch die Massenausgleichswelle 8 ausgleichbaren Kräfte bzw. der freien Massenkräfte der Einzylinder-Hubkolben-Kurbelwellenmaschine bezogen auf die freien Massenkräfte der ersten Ordnung einer Einzylinder-Hubkolben-Kurbelwellenmaschine aufgetragen, wobei die Kräfte der ersten Ordnung mit eins festgelegt wurden und somit vollständig ausgeglichen sind. In der 3 sind dabei mit 11 die Amplitudenverhältnis-Kurve der ersten Ordnung, mit 12 die Amplitudenverhältnis-Kurve der zweiten Ordnung, mit 13 die Amplitudenverhältnis-Kurve der dritten Ordnung, mit 14 die Amplitudenverhältnis-Kurve der vierten Ordnung und mit 15 die Amplitudenverhältnis-Kurve der zweiten Ordnung der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine, mit 16 die Amplitudenverhältnis-Kurve der vierten Ordnung der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine, mit 17 die Amplitudenverhältnis-Kurve der dritten Ordnung der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine dargestellt. Aus der 3 ist zu erkennen, dass beispielsweise bei einem Längenverhältnis der Koppel 6 zu den Längen der Exzenter 5 bzw. 7 von etwa 6,3:1 ein optimaler Massenausgleich der Kräfte der zweiten Ordnung erfolgt. Dies gilt jedoch nur für ein Pleuelstangenverhältnis der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine von 1:3,2 und muss für andere Pleuelstangenverhältnisse angepasst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolben
- 2
- Pleuel
- 3
- Antiparallelkurbelgetriebe
- 4
- Kurbelwelle
- 5
- Exzenter an der Kurbelwelle 4
- 6
- Koppel
- 7
- Exzenter an der Massenausgleichswelle 8
- 8
- Massenausgleichswelle
- 9
- Drehzahlverlauf der Kurbelwelle
- 10
- Drehzahlverlauf der Massenausgleichswelle
- 11
- Amplitudenverhältnis-Kurve der 1. Ordnung der Massenausgleichswelle
- 12
- Amplitudenverhältnis-Kurve der 2. Ordnung der Massenausgleichswelle
- 13
- Amplitudenverhältnis-Kurve der 3. Ordnung der Massenausgleichswelle
- 14
- Amplitudenverhältnis-Kurve der 4. Ordnung der Massenausgleichswelle
- 15
- Amplitudenverhältnis-Kurve der 2. Ordnung des Motors
- 16
- Amplitudenverhältnis-Kurve der 4. Ordnung des Motors
- 17
- Amplitudenverhältnis-Kurve der 3. Ordnung des Motors
- L1
- Abstand zwischen Kurbelwelle und Massenausgleichswelle
- L2
- Länge der Koppel 6
- S
- Schwerpunkt des Gegengewichtes
- α
- Winkel zwischen der Zylinderachse und der Verbindungslinie von Kurbelwellen- und Ausgleichswellenachse
- β
- Winkel zwischen Kurbelarm und dem Exzenter 7
- γ
- Winkel zwischen dem Exzenter 5 und dem Schwerpunkt S des Gegengewichts
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3642487 C2 [0003]
- DE 69103718 T2 [0004]
