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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiter betrifft die Erfindung Ausgleichswellen für Massenkräfte bei Hubkolben-Brennkraftmaschinen sowie einen Riementrieb für einen Antrieb von Nebenaggregaten und Schwungmassen für die Verringerung von Drehzahlschwankungen von Brennkraftmaschinen.
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Die Beschleunigung von Drehmassen in Brennkraftmaschinen, wie z. B. Kurbelwelle, Schwungrad, Nebenaggregate im Riementrieb oder auch Rotoren in Elektromotoren, führt zu Reaktionsmomenten auf das Maschinengehäuse. Insbesondere die explosionsartige Verbrennung in Verbrennungsmotoren führt zu einer regelmäßigen, impulshaften Beschleunigung und Abbremsung der o. g. Drehmassen. Dadurch entsteht zusätzlich zum konstanten Drehmoment ein Wechselmoment (Drehungleichförmigkeit) um die Kurbelwellenachse, welche sich über das Maschinengehäuse und die Aggregatelager auf der umgebenden Struktur abstützt.
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Im Falle eines Kraftfahrzeuges stützen sich die Reaktionsmomente auf der Karosserie ab und führen dort u. a. zu Leerlaufvibrationen sowie beim Brennkraftmaschinenstart und Brennkraftmaschinenstopp oder bei Gasstößen im Leerlauf zu Fahrzeug- und teilweise auch zu Schalthebelschütteln. Diese Auswirkungen können bei Fahrzeuginsassen zu erheblichen Beeinträchtigungen des Komfortempfindens führen.
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Bei anderen Einsatzgebieten von Brennkraftmaschinen oder Verbrennungsmotoren sind andere Beeinträchtigungen denkbar, z. B. Gesundheitsschäden durch Vibrationsbelastung bei verbrennungsmotorgetriebenen Arbeitsgeräten (Kettensägen, Laubbläser usw.), Kippen von Motorrädern mit längs eingebauten Verbrennungsmotoren beim starken Beschleunigen (z. B. bei Boxermotoren). Das gleiche gilt auch für Vibrationen von Stromaggregaten, die sich Ausbreiten und zu Belästigungen führen können, usw.. Erhöhte Vibrationen führen darüber hinaus auch immer zu höherem Verschleiß.
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Zur Vermeidung der o. g. Nachteile in Hubkolben-Brennkraftmaschinen wird beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 102 43 018 A1 eine Kurbelwelle für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine vorgeschlagen, insbesondere für eine V8-Brennkraftmaschine mit einem V-Winkel von 90° und mit vier Kurbelkröpfungen mit einem darin enthaltenen Hubzapfen für einen Zylinder aus beiden Zylinderreihen, sowie mit fünf Kurbelwellenlagern und innerhalb der Kurbelwellenlager angeordneten Ausgleichsgewichten, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Ausgleich des rotierenden Momentes sowie des oszillierenden Moments erster Ordnung der Hubkolben-Brennkraftmaschine durch auf die Kurbelwelle einwirkende interne und externe Ausgleichskräfte erfolgt, wobei die internen, von den Ausgleichsgewichten innerhalb der Kurbelwellenlager erzeugten Ausgleichskräfte einen Teilausgleich bewirken und die externen, außerhalb der Kurbelwellenlager in den Bauteilen angeordneten und mit der Kurbelwelle drehfest verbundenen Ausgleichsmassen die restlichen Ausgleichskräfte zum Vollausgleich der Massenmomente erzeugen.
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Zur Vermeidung der gleichen o. g. Nachteile wird weiter in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2009 037 000 A1 ein Antrieb für eine Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle vorgeschlagen, mit mindestens einer Nockenwelle, wenigstens zwei Rädern, die mit der Kurbelwelle verbunden jeweils ein Teil eines Getriebes sind und eines der Räder Teil eines Steuertriebs ist, der dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Elektromotor mit einer Steuereinrichtung vorgesehen ist, der versetzt von der Kurbelwelle und der mindestens eine Nockenwelle sowie versetzt zu dem zugehörigen ersten Rad und dem zugehörigen zweiten Rad, mittels eines Zwischenrades als Teil eines Getriebes mit einem der Räder in Verbindung steht und dass der Elektromotor eine Generatorwelle aufweist, an welcher mindestens ein Ausgleichsgewicht für einen Massenausgleich angeordnet ist, wodurch freie Massenkräfte erster oder zweiter Ordnung in der Brennkraftmaschine, insbesondere die auf die Kurbelwelle einwirken, kompensierbar sind.
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Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2007 043 610 A1 eine Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle bekannt, insbesondere für ein Fahrzeug, bei der zum Massenausgleich mindestens ein Unwuchtgewicht vorgesehen ist, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass sich das Unwuchtgewicht an einem mit der Kurbelwelle drehfest gekoppelten Aggregat befindet.
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Nachteilig an den bisher bekannten Maßnahmen zur Reduzierung von Drehungleichförmigkeiten sind die relativ hohen Lagerbelastungen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine weitere Maßnahme aufzuzeigen, mit der das Start- und Abstellschütteln und der Leerlaufkomfort einer Brennkraftmaschine deutlich verbessert werden, bei einer gleichzeitig minimierten Lagerbelastung.
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Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennkraftmaschine werden das Start- und Abstellschütteln sowie der Leerlaufkomfort der Brennkraftmaschine deutlich verbessert, wobei die Lager eine minimale Belastung erfahren. Weiter wird das Kippen von Motorrädern mit längs eingebauten Brennkraftmaschinen um die Längsachse beim Beschleunigen eliminiert. In vorteilhafter Weise wird auch das Verziehen von motorgetriebenen Handwerkzeugen, z. B. Kettensägen oder auch elektrischen Bohrmaschinen beim Beschleunigen auf die Arbeitsdrehzahl eliminiert. In vorteilhafter Weise ergibt sich somit bei jeder Art von Verbrennungsmotor eine Vibrationsminderung und somit minimierter Verschleiß.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand des Standes der Technik und anhand einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung in zwei Figuren näher erläutert.
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1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zur Minderung von Drehimpulsänderungen gemäß dem Stand der Technik.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zur Minderung von Drehimpulsänderungen.
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Im Folgenden gelten in beiden Figuren für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern.
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1 zeigt schematisch beispielsweise eine dreizylindrige Brennkraftmaschine 1 gemäß dem bekannten Stand der Technik. Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Kurbeltrieb mit einer Kurbelwelle 2 auf mit einer nicht bezifferten ersten Drehachse und einer parallel zur Kurbelwelle 2 angeordneten, von der Kurbelwelle 2 in einem Maschinengehäuse 3 über ein Zahnradgetriebe 9 phasenstarr um eine zweite nicht bezifferte Drehachse antreibbaren Welle 4, mit der über ein über ein außerhalb des Maschinengehäuses 3 angeordnetes Zugmittelgetriebe 5 phasenstarr zumindest zwei um eine dritte und eine vierte Drehachse drehbare Nebenaggregate 6, dargestellt ist nur ein einziges Nebenaggregat 6, der Brennkraftmaschine 1 antreibbar sind. Um einer Drehimpulsänderung der Kurbelwelle 2 entgegenzuwirken ist eine Masse 7 vorgesehen, die exzentrisch zu einer Drehachse eines Nebenaggregates 6 oder der Welle 4 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Masse 7 an die Welle 4 angeordnet. Zum Antrieb des Zugmittelgetriebes 5 ist eine Riemenscheibe 8 vorgesehen, zur zusätzlichen Dämpfung von Drehschwingungen der Kurbelwelle 2 ist weiter eine Schwungscheibe 10 stirnseitig, gegenüber dem Zugmittelgetriebe 5 an die Kurbelwelle 2 angeordnet. Drei Kolben 11 sind schematisch oberhalb der Kurbelwelle in das Maschinengehäuse 3 eingezeichnet. Zugehörige Pleuel sind zur Vereinfachung der Figuren nicht dargestellt.
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2 zeigt nochmals die Brennkraftmaschine 1 aus 1, jedoch mit einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Masse 7 auf zumindest zwei Nebenaggregate 6, wiederum nur eines dargestellt, und die Welle 4 aufgeteilt ist. Erfindungsgemäß wirkt die Summe der von der Masse 7 erzeugten Massenträgheitsmomente einer Drehimpulsänderung des Kurbeltriebs entgegen. Bei den Nebenaggregaten 6 kann es sich beispielsweise um eine Riemenscheibe und/oder eine Massenausgleichswelle und/oder einen Rotor eines Generators und/oder einen Elektrostarter und/oder einen Klimaklimakompressor und/oder ein Schwungrad handeln. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Welle 4 gleichzeitig eine Massenausgleichswelle.
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Zusammenfassung:
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Die Erfindung (schematisch dargestellt in 2 anhand einer Dreizylinder-Brennkraftmaschine) beseitigt somit die Nachteile, in dem die Masse 7, die auf der Welle 4 parallel zur Kurbelwelle 2 und zumindest zwei Nebenaggregaten 6 sitzt, den Drehimpuls aller in der Brennkraftmaschine drehenden Körper durch einen entgegen gerichtet gleich großen Drehimpuls eliminiert.
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Die Welle 4 wird durch die Kurbelwelle 2 phasenstarr, vorzugsweise über ein Zahnradpaar, dem Zahnradgetriebe 9, angetrieben.
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Das Massenträgheitsmoment θ der Masse 7 und das Übersetzungsverhältnis n der Welle 4 relativ zur Kurbelwelle 2 muss so gewählt werden, dass die Gleichung: Σiθi·ni = 0 Mit
- θi
- = Massenträgheitsmoment des i-ten rotierenden Körpers in der Brennkraftmaschine, z. B. Kurbelwelle, Ausgleichswellen, Generator, Elektrostarter, Klimakompressor, Schwungrad usw.
- ni
- = Übersetzungsverhältnis des i-ten rotierenden Körpers bezüglich der Kurbelwelle 2, erfüllt ist.
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Die Summation dieser Gleichung erfolgt dabei über alle in der Brennkraftmaschine 1 vorhandenen, drehenden Körper, wobei die Übersetzungsverhältnisse von gleichsinnig zur Kurbelwelle 2 rotierenden Körpern positiv und von gegensinnig zur Kurbelwelle 2 rotierenden Körpern negativ anzusetzen sind. Vorteilhaft ist es, den Betrag des Übersetzungsverhältnisses der Welle 4 möglichst groß zu wählen, weil dann das Massenträgheitsmoment und damit der Materialeinsatz der Masse 7 entsprechend oben genannter Gleichung geringer ausfallen kann. Außerdem kann das Massenträgheitsmoment der Schwungmasse 10 auf der Kurbelwelle 2 um den Betrag n2 × θ verringert werden, wenn n das Übersetzungsverhältnis der Welle 4 und θ die Summe der Massenträgheitsmomente von Welle 4 und Masse 7 ist.
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Darüber hinaus kann die Welle 4 gleichzeitig auch für den Ausgleich von Massenkräften verwendet werden, wenn auf der Welle 4 zusätzliche Massen exzentrisch angeordnet werden.
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Über das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel hinaus ist die Erfindung in jeder Maschine einsetzbar, in der Massen rotatorisch beschleunigt werden, unabhängig vom physikalischen Prinzip, welches für die Drehbeschleunigung sorgt, insbesondere für Verbrennungsmotoren, Dampfmaschinen, Elektromotoren, Hubkolbenmotoren mit beliebiger Zylinderzahl und Kreiskolbenmotoren.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform in 2 sitzt die Riemenscheibe 8, die über den Riemen 5 die Nebenaggregate 6 der Brennkraftmaschine 1 antreibt, nicht auf der Kurbelwelle, sondern auf der Welle 4, die entsprechend aus dem Maschinengehäuse 3 heraus verlängert wird. Das hat den Vorteil, dass auch die Riemenscheibe 8 und alle durch den Riemen angetriebenen Nebenaggregate 6 gleichsinnig zur Welle 4 drehen, so dass das benötigte Massenträgheitsmoment auf der Welle 4 geringer ist. Außerdem kann das benötigte Massenträgheitsmoment in der Riemenscheibe 8 außerhalb des Maschinengehäuses 3 integriert werden, so dass die Welle 4 im Maschinengehäuse 3 weniger Platz beansprucht.
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Somit führt die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennkraftmaschine 1 zu einer erheblichen Verbesserung des Start- und Abstellschüttelns der Brennkraftmaschine 1 sowie zu einer Verbesserung des Leerlaufkomforts bei Kraftfahrzeugen. Weiter wird das Kippen von Motorrädern mit längs eingebauten Brennkraftmaschinen 1 um die Langsachse beim Beschleunigen eliminiert. Auch das Verziehen von motorgetriebenen Handwerkzeugen, z. B. Kettensägen oder auch elektrischen Bohrmaschinen beim Beschleunigen auf die Arbeitsdrehzahl wird eliminiert. Insgesamt führt die Erfindung zu einer Vibrationsminderung bei jeder Art von Verbrennungsmotor und somit zu geringerem Verschleiß.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Kurbelwelle
- 3
- Maschinengehäuse
- 4
- Welle
- 5
- Zugmittelgetriebe
- 6
- Nebenaggregat
- 7
- Masse
- 8
- Riemenscheibe
- 9
- Zahnradgetriebe
- 10
- Schwungscheibe
- 11
- Kolben
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10243018 A1 [0005]
- DE 102009037000 A1 [0006]
- DE 102007043610 A1 [0007]
