DE102011088215A1

DE102011088215A1 - Massenausgleichsvorrichtung

Info

Publication number: DE102011088215A1
Application number: DE102011088215A
Authority: DE
Inventors: Christof Faria
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2013-06-13

Abstract

Vorgeschlagen ist eine Massenausgleichsvorrichtung einer Hubkolben-Brennkraftmaschine (1). Die Massenausgleichsvorrichtung soll zwecks perfektionierter Laufruhe auch Massenkräfte oder -momente höherer Motorordnungen n > 2 kompensieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Massenausgleichsvorrichtung zum Ausgleich von freien Massenkräften und/oder freien Massenmomenten einer Hubkolben-Brennkraftmaschine.
Hintergrund der Erfindung
Klimaschutzziele und Emissionsvorschriften, aber auch die Wettbewerbsfähigkeit gegenüber zukünftigen Elektroantrieben zwingen die Automobilhersteller zu flächendeckendem Downsizing der Hubkolben-Brennkraftmaschine. Charakteristisch für solche Maschinen sind die hohen spezifischen, d. h. auf das Hubvolumen bezogenen Leistungs- und Drehmomentwerte, die eine thermodynamische und/oder mechanisch zulässige Obergrenze nach wie vor nicht erreicht zu haben scheinen. Bei vorgegebenen Motorkenngrößen für Leistung und Drehmoment besteht somit die Möglichkeit, die für diese Kenngrößen bislang erforderliche Zylinderzahl und mithin die Anzahl der bewegten Bauteile in der Brennkraftmaschine verbrauchswirksam zu reduzieren. Dieses derzeit konsequent betriebene Downsizing besteht insbesondere darin, dass – ohne Leistungseinbußen – herkömmliche Sechszylindermaschinen durch verbrauchsgünstigere Vierzylindermaschinen und herkömmliche Vierzylindermaschinen durch Drei- oder sogar Zweizylindermaschinen ersetzt werden.
Allerdings geht die Verringerung der Zylinderanzahl grundsätzlich mit verringerter Laufruhe des Kurbeltriebs einher, so dass der Zielkonflikt zwischen niedrigem Kraftstoffverbrauch und dem sogenannten NVH-Verhalten verschärft wird. Die englische Abkürzung NVH steht bekanntlich für Noise-Vibration-Harshness (deutsch: Geräusch-Vibration-Rauheit) und bezeichnet als Geräusch hörbare oder als Vibration spürbare Schwingungen in Kraftfahrzeugen oder an Maschinen. Und nicht nur der Kraftstoffverbrauch als Effizienzmerkmal sondern auch das NVH-Verhalten als Komfortmerkmal spielen mehr oder weniger gleichberechtigte Rollen beim Kaufentscheid eines Fahrzeugs mit einer Hubkolben-Brennkraftmaschine als Antrieb. Aufgrund des zudem steigenden Komfortanspruchs steigt beispielsweise der Anteil von Vierzylindermaschinen mit einer Massenausgleichsvorrichtung, die die als typisches Vierzylinderbrummen wahrnehmbaren freien Massenkräfte zweiter Ordnung kompensiert (Lancaster-Ausgleich).
Aufgabe der Erfindung
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Massenausgleichsvorrichtung der eingangs genannten Art für eine Brennkraftmaschine mit hoher Leistungs- und Drehmomentabgabe anzugeben, die trotz geringer Zylinderzahl extremen Komfortansprüchen bezüglich des NVH-Verhaltens genügt.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Massenausgleichsvorrichtung zumindest zwei Ausgleichswellen umfasst, die mit voneinander verschiedenen Motorordnungen n ≥ 2 rotieren. Anders ausgedrückt: die erfindungsgemäße Massenausgleichsvorrichtung beschränkt sich nicht auf die Kompensation von freien Massenkräften oder -momenten bis zur zweiten Ordnung. Vielmehr werden auch Vibrationen höherer Motorordnungen n = 3 oder größer beseitigt, um die Voraussetzungen für extreme Laufruhe der Brennkraftmaschine zu schaffen.
Zwei besonders bevorzugte Anwendungen der Erfindung sind in der folgenden Tabelle aufgelistet. Es handelt sich um zwei Viertakt-Reihenmaschinen mit vier und mit drei Zylindern, nachfolgend kurz als R4- und R3-Maschine bezeichnet, und mit der angegebenen Zündfolge. Wie es auch dem Kurbelstern entnehmbar ist, betragen die jeweils gleichmäßig großen Zündwinkel 180° Kurbelwelle bei der R4-Maschine und 240° Kurbelwelle bei der R3-Maschine.
Aufgelistet sind die freien Massenkräfte und -momente für die betrachteten Motorordnungen n = 1 bis n = 4. Die grau schattierten Felder entsprechen den freien Massenkräften und -momenten höherer Motorordnung n > 2, die mit einer erfin-
kompensierbar sind. Beispielsweise besteht bei der R3-Maschine die Möglichkeit, zusätzlich zu den rotierenden Massenmomenten erster und/oder zweiter Ordnung (M1 bzw. M2) die oszillierenden Massenkräfte dritter Ordnung (3 × F3) und/oder die rotierenden Massenmomente vierter Ordnung (M4) zu kompensieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung jeweils schematisch dargestellt sind. Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Bauteile oder Merkmale mit gleichen Bezugzahlen versehen. Die eingezeichneten Pfeile kennzeichnen die jeweilige Drehrichtung der Wellen. Es zeigen:
1 eine Hubbkolben-Brennkraftmaschine mit bekanntem Lancaster-Ausgleich;
2 eine R3-Maschine mit zusätzlichem Ausgleich der freien Massenkräfte dritter Ordnung und
3 eine R4-Maschine mit zusätzlichem Ausgleich der freien Massenkräfte vierter Ordnung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung sei ausgehend von 1 erläutert, die den seit lange bekannten Massenausgleich einer Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 in Vierzylinder-Reihenbauweise zeigt. Die Viertakt-R4-Maschine 1 hat die meistgebräuchliche Zündfolge 1-3-4-2 mit gleichmäßig großem Zündabstand von 180° Kurbelwellenwinkel. Der auch als Lancaster-Ausgleich bekannte Massenausgleich kompensiert die oszillierenden Massenkräfte F2 zweiter Motorordnung mittels zweier Ausgleichswellen 2 und 3, die über ein Zwischenrad 4 von der Kurbelwelle 5 angetrieben werden und mit doppelter Kurbelwellendrehzahl, d. h. mit der Ordnung n = 2 gegenläufig rotieren.
Eine erfindungsgemäße Massenausgleichsvorrichtung für eine R3-Maschine ist in 2 dargestellt. Die Massenausgleichsvorrichtung umfasst zum einen eine mit doppelter Kurbelwellendrehzahl n = 2 rotierende Ausgleichswelle 6 und zum anderen ein Paar mit dreifacher Kurbelwellendrehzahl n = 3 rotierende Ausgleichswellen 7 und 8. Die in Richtung der Kurbelwelle 5 rotierende Ausgleichswelle 6 kompensiert die rotierenden Massenmomente M2 zweiter Ordnung, und das gegenläufig rotierende Ausgleichswellenpaar 7, 8 kompensiert die oszillierenden Massenkräfte F3 dritter Ordnung. Der Antrieb der Ausgleichswellen 6 und 7 erfolgt mittels des von der Kurbelwelle 5 angetriebenen Zwischenrads 4. Die freien Massenmomente M1 erster Ordnung n = 1 werden durch nicht dargestellte Ausgleichsgewichte unmittelbar an der Kurbelwelle 5 kompensiert.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Massenausgleichsvorrichtung für eine R4-Maschine der meistgebräuchlichen Bauart entsprechend 1. Die Massenausgleichsvorrichtung umfasst zum einen die beiden mit n = 2 gegenläufig rotierenden Ausgleichswellen 2 und 3, die die oszillierenden Massenkräfte F2 zweiter Ordnung kompensieren, und zum anderen zwei mit vierfacher Drehzahl der Kurbelwelle 5 gegenläufig rotierende Ausgleichswellen 9 und 10, die die oszillierenden Massenkräfte F4 der Ordnung n = 4 kompensieren. Die Ausgleichswellenpaare 2, 3 und 9, 10 umfassen jeweils Stirnräder, die zum einen und 9, 10 umfassen jeweils Stirnräder, die zum einen von der Kurbelwelle 5 und zum anderen von einem anderen Ausgleichswellenpaar angetrieben werden.
Bezugszeichenliste

1: Hubkkolben-Brennkraftmaschine
2: Ausgleichswelle (F2)
3: Ausgleichswelle (F2)
4: Zwischenrad
5: Kurbelwelle
6: Ausgleichswelle (M2)
7: Ausgleichswelle (F3)
8: Ausgleichswelle (F3)
9: Ausgleichswelle (F4)
10: Ausgleichswelle (F4)

Claims

Massenausgleichsvorrichtung zum Ausgleich von freien Massenkräften und/oder freien Massenmomenten einer Hubkolben-Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Massenausgleichsvorrichtung zumindest zwei Ausgleichswellen (2, 3, 6, 7, 8, 9, 10) umfasst, die mit voneinander verschiedenen Motorordnungen n ≥ 2 rotieren.
Massenausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) als Viertakt-Vierzylindermaschine in Reihenbauweise mit einem gleichmäßigem Zündabstand von 180° Kurbelwelle ausgebildet ist, wobei die Massenausgleichsvorrichtung ein Paar Ausgleichswellen (2, 3), die zum Ausgleich der freien Massenkräfte (F2) zweiter Ordnung mit der Motorordnung n = 2 gegenläufig rotieren, und ein weiteres Paar Ausgleichswellen (9, 10), die zum Ausgleich der freien Massenkräfte (F4) vierter Ordnung mit der Motorordnung n = 4 gegenläufig rotieren, umfasst.
Massenausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) als Viertakt-Dreizylindermaschine in Reihenbauweise mit einem gleichmäßigem Zündabstand von 240° Kurbelwelle ausgebildet ist, wobei die Massenausgleichsvorrichtung eine Ausgleichswelle (6), die zum Ausgleich der freien Massenmomente (M2) zweiter Ordnung mit der Motorordnung n = 2 rotiert, und ein Paar weiterer Ausgleichswellen (7, 8), die zum Ausgleich der freien Massenkräfte (F3) dritter Ordnung mit der Motorordnung n = 3 gegenläufig rotieren, umfasst.