DE102013203560B4

DE102013203560B4 - Brennkraftmaschine mit auf der Kurbelwelle angeordnetem und als Unwucht dienendem Ausgleichsgewicht und Verfahren zur Herstellung der Kurbelwelle

Info

Publication number: DE102013203560B4
Application number: DE102013203560.8A
Authority: DE
Inventors: Rainer Lach; Jörg Bonse
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2020-06-18
Anticipated expiration: 2033-03-02
Also published as: CN104019184B; CN104019184A; US9121472B2; BR102014003323A2; DE102013203560A1; RU155542U1; US20140245985A1

Abstract

Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder und mit einem Kurbeltrieb (1) umfassend eine Kurbelwelle (2), bei dem- die in einem Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle (2) für jeden Zylinder eine dazugehörige Kurbelwellenkröpfung (3) aufweist, wobei die Kurbelwellenkröpfungen (3) entlang der Längsachse (2a) der Kurbelwelle (2) beabstandet zueinander angeordnet sind,- mindestens ein als Unwucht dienendes Ausgleichsgewicht (4) zum Zwecke eines Massenausgleichs auf der gegenüberliegenden Seite mindestens einer Kurbelwellenkröpfung (3) auf der Kurbelwelle (2) angeordnet ist,- jeder zu einem Zylinder gehörende Kolben (5) mittels Pleuelstange mit der Kurbelwelle (2) gelenkig verbunden ist, wobei die Pleuelstange an einem Ende über einen Kolbenbolzen mit dem Kolben (5) gelenkig verbunden ist und an einem anderen Ende auf einem Kurbelzapfen (3b) der dazugehörigen Kurbelwellenkröpfung (3) der Kurbelwelle (2) drehbar gelagert ist, und- die Längsachse (5a) des mindestens einen Kolbens (5) die Längsachse (2a) der Kurbelwelle (2) schneidet und die von den beiden Längsachsen (2a, 5a) aufgespannte Ebene bei im unteren Totpunkt befindlichen Kolben (5) die Mittelebene (4a) des mindestens einen Ausgleichsgewichts (4) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass- das mindestens eine Ausgleichsgewicht (4) auf der nach außen gewandten Seite keine kreisbogenförmige Gestalt aufweist, deren in Umfangsrichtung verlaufende Außenseite (4b) zur Längsachse (2a) der Kurbelwelle (2) einen gleichgroßen Abstand aufweist, sondern die in Umfangsrichtung verlaufende Außenseite (4b) des mindestens einen Ausgleichsgewichts (4) ausgehend von der Mittelebene (4a) zu beiden Seiten hin einen zur Längsachse (2a) der Kurbelwelle (2) zunehmend großen Abstand s(α) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder und mit einem Kurbeltrieb umfassend eine Kurbelwelle, bei dem

- die in einem Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle für jeden Zylinder eine dazugehörige Kurbelwellenkröpfung aufweist, wobei die Kurbelwellenkröpfungen entlang der Längsachse der Kurbelwelle beabstandet zueinander angeordnet sind,
- mindestens ein als Unwucht dienendes Ausgleichsgewicht zum Zwecke eines Massenausgleichs auf der gegenüberliegenden Seite mindestens einer Kurbelwellenkröpfung auf der Kurbelwelle angeordnet ist,
- jeder zu einem Zylinder gehörende Kolben mittels Pleuelstange mit der Kurbelwelle gelenkig verbunden ist, wobei die Pleuelstange an einem Ende über einen Kolbenbolzen mit dem Kolben gelenkig verbunden ist und an einem anderen Ende auf einem Kurbelzapfen der dazugehörigen Kurbelwellenkröpfung der Kurbelwelle drehbar gelagert ist, und
- die Längsachse des mindestens einen Kolbens die Längsachse der Kurbelwelle schneidet und die von den beiden Längsachsen aufgespannte Ebene bei im unteren Totpunkt befindlichen Kolben die Mittelebene des mindestens einen Ausgleichsgewichts bildet.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen der Kurbelwelle einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art beschreibt beispielsweise die deutsche Offenlegungsschrift DE 29 04 387 A1 .
Ein Kurbeltrieb umfasst eine Kurbelwelle, Kolben, Kolbenbolzen und Pleuelstangen, die über den im kleinen Pleuelauge angeordneten Kolbenbolzen mit dem dazugehörigen Kolben gelenkig verbunden und im großen Pleuelauge auf einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle drehbar gelagert sind.
Der Kolben dient dabei der Übertragung der durch die Verbrennung generierten Gaskräfte auf die Kurbelwelle. Die Gaskräfte, mit denen der Kolben beaufschlagt wird, werden auf diese Weise über den Kolbenbolzen auf die Pleuelstange und von dieser auf die Kurbelwelle übertragen.
Durch die beschriebene Anordnung von Kolben, Kolbenbolzen, Pleuelstange und Kurbelwelle wird die ausschließlich oszillierende Bewegung des Kolbens in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle transformiert. Die Pleuelstange bewegt sich anteilig rotatorisch und anteilig oszillierend in Richtung Zylinderrohrlängsachse.
Die Gaskräfte drücken den Kolben in Richtung Zylinderrohrlängsachse nach unten, wobei ausgehend vom oberen Totpunkt (OT) dem Kolben durch die Gaskräfte eine beschleunigte Bewegung aufgezwungen wird. Der Kolben, der mit seiner nach unten gerichteten Bewegung versucht, den Gaskräften auszuweichen, muss bei dieser abwärts gerichteten Bewegung die mit ihm gelenkig verbundene Pleuelstange mitnehmen. Hierzu leitet der Kolben die auf ihn wirkenden Gaskräfte über den Kolbenbolzen auf die Pleuelstange und versucht diese nach unten zu beschleunigen. Nähert sich der Kolben dem unteren Totpunkt (UT) wird er zusammen mit den mit ihm verbundenen Bauteilen, insbesondere der Pleuelstange, verzögert, um dann im unteren Totpunkt (UT) eine Bewegungsumkehr zu vollziehen.
Die Brennkraftmaschine, d. h. der Motor, und die dazugehörigen Nebenaggregate sind schwingungsfähige Systeme, deren Schwingungsverhalten beeinflusst werden kann. Die relevantesten schwingungsfähige Systeme bzw. Bauteile mit Stoß- und Kraftanregung sind das Kurbelgehäuse, der Zylinderblock, der Zylinderkopf, der Ventiltrieb und der Kurbeltrieb, der auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Diese Bauteile sind den Massen- und Gaskräften ausgesetzt.
Die Kurbelwelle wird durch die sich zeitlich verändernden Drehkräfte, welche über die an den einzelnen Kurbelzapfen angelenkten Pleuelstangen in die Kurbelwelle eingeleitet werden, zu Drehschwingungen angeregt. Diese Drehschwingungen führen sowohl zu Geräuschen durch Körperschallabstrahlung als auch zu Geräuschen durch Körperschalleinleitung in die Karosserie und in die Brennkraftmaschine, wobei auch Vibrationen auftreten können, die den Fahrkomfort nachteilig beeinflussen, beispielsweise Vibrationen des Lenkrades im Fahrgastinnenraum. Bei Anregung der Kurbelwelle im Eigenfrequenzbereich kann es zu hohen Drehschwingungsamplituden kommen, die sogar zum Dauerbruch führen können. Dies zeigt, dass die Schwingungen nicht nur in Zusammenhang mit einem Geräuschdesign von Interesse sind, sondern vielmehr auch im Hinblick auf die Festigkeit der Bauteile.
Die Drehschwingungen der Kurbelwelle werden ungewollt über den Steuertrieb bzw. Nockenwellenantrieb auf die Nockenwelle übertragen, wobei die Nockenwelle selbst auch ein schwingungsfähiges System darstellt und weitere Systeme, insbesondere den Ventiltrieb, zu Schwingungen anregen kann. Die Einleitung von Schwingungen in andere Nebenaggregate via von der Kurbelwelle angetriebenen Zugmitteltrieb ist ebenfalls möglich. Zudem werden die Schwingungen der Kurbelwelle in den Antriebsstrang eingeleitet, über welchen eine Weiterleitung bis hin zu den Reifen eines Fahrzeuges erfolgen kann.
Der Drehkraftverlauf an einer Kurbelwellenkröpfung einer Viertaktbrennkraftmaschine ist periodisch, wobei sich die Periode über zwei Umdrehungen der Kurbelwelle erstreckt. Üblicherweise wird der Drehkraftverlauf mittels Fourier-Analyse in seine harmonischen Anteile zerlegt, um Aussagen über die Erregung von Drehschwingungen treffen zu können. Dabei setzt sich der tatsächliche Drehkraftverlauf aus einer konstanten Drehkraft und einer Vielzahl von sich harmonisch verändernden Drehkräften zusammen, die unterschiedliche Drehkraftamplituden und Frequenzen bzw. Schwingzahlen aufweisen. Das Verhältnis der Schwingzahl n_i jeder Harmonischen zur Drehzahl n der Kurbelwelle bzw. des Motors, wird als die Ordnung i der Harmonischen bezeichnet.
Aufgrund der hohen dynamischen Belastung der Kurbelwelle durch die Massen- und Gaskräfte ist man bei der Auslegung der Brennkraftmaschine bemüht, einen möglichst weitgehenden, d. h. optimierten Massenausgleich zu realisieren. Dabei werden unter dem Begriff „Massenausgleich“ sämtliche Maßnahmen zusammengefasst, die die Wirkung der Massenkräfte nach außen kompensieren bzw. verringern. Insofern umfasst der Massenausgleich auch den Ausgleich der durch die Massenkräfte hervorgerufenen Momente.
Ein Massenausgleich kann im Einzelfall bereits durch eine gezielte Abstimmung der Kröpfung der Kurbelwelle, der Anzahl und der Anordnung der Zylinder erfolgen.
Ein Sechs-Zylinder-Reihenmotor kann auf diese Weise vollständig ausgeglichen werden. Die sechs Zylinder werden paarweise in der Art zusammengefasst, dass sie mechanisch als Zylinderpaar parallel laufen. So werden der erste und sechste Zylinder, der zweite und fünfte Zylinder und der dritte und vierte Zylinder zu einem Zylinderpaar zusammengefasst, wobei die Kurbelwellenzapfen bzw. -kröpfungen der drei Zylinderpaare um jeweils 120° KW versetzt auf der Kurbelwelle angeordnet sind. Mechanisch parallel laufend bedeutet, dass die beiden Kolben der zwei mechanisch parallel laufenden Zylinder sich bei demselben °KW (Grad Kurbelwinkel) im oberen Totpunkt (OT) bzw. unteren Totpunkt (UT) befinden.
Bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor lassen sich die Massenkräfte 1. Ordnung und die Massenkräfte 2. Ordnung durch Wahl einer geeigneten Kurbelwellenkröpfung ebenfalls vollständig ausgleichen, nicht aber die Momente, welche durch die Massenkräfte hervorgerufen werden.
Ein vollständiger Massenausgleich ist nicht immer realisierbar, so dass weitere Maßnahmen ergriffen werden müssen, beispielsweise das Anordnen von Gegengewichten auf der Kurbelwelle und/oder die Ausstattung der Brennkraftmaschine mit mindestens einer Ausgleichswelle.
Ausgangspunkt sämtlicher Maßnahmen ist die Überlegung, dass die Kurbelwelle durch die sich zeitlich verändernden Drehkräfte, welche sich aus den Gaskräften und Massenkräften des Kurbeltriebes zusammensetzen, belastet wird. Die Massen des Kurbeltriebes, d. h. die Einzelmassen der Pleuelstange, des Kolbens, des Kolbenbolzens der Kolbenringe und der Kurbelwelle selbst, lassen sich in eine oszillierende Ersatzmasse und eine rotierende Ersatzmasse überführen. Die Massenkraft der rotierenden Ersatzmasse kann in einfacher Weise durch auf der Kurbelwelle angeordnete Gegengewichte in ihrer Außenwirkung ausgeglichen werden.
Aufwendiger gestaltet sich der Ausgleich der durch die oszillierende Ersatzmasse hervorgerufenen Massenkraft, die sich näherungsweise aus einer Massenkraft 1. Ordnung und einer Massenkraft 2. Ordnung zusammensetzt, wobei Kräfte höherer Ordnung vernachlässigbar sind.
Die Massenkräfte jeder Ordnung können nahezu ausgeglichen werden durch die Anordnung von zwei gegensinnig rotierenden mit entsprechenden Gewichten versehenen Wellen, sogenannten Ausgleichswellen. Die Wellen für den Ausgleich der Massenkräfte 1. Ordnung laufen dabei mit Motordrehzahl und die Wellen für den Ausgleich der Massenkräfte 2. Ordnung mit zweifacher Motordrehzahl um. Diese Art des Massenausgleichs ist sehr kostenintensiv, aufwendig und weist neben einem hohen Gewicht auch einen hohen Raumbedarf auf. Im Rahmen des Ausgleichs der Massenkräfte 1. Ordnung kann die Kurbelwelle gleichzeitig als Ausgleichswelle dienen, d. h. eine der beiden Ausgleichswellen bilden, so dass zumindest das Gewicht und der Raumbedarf des Massenausgleichs reduziert wird.
Selbst bei einem vollständigen Ausgleich der Massenkräfte ergeben sich Massenmomente, da die Massenkräfte der einzelnen Zylinder in den Zylindermittelebenen wirken. Diese Massenmomente können im Einzelfall durch mindestens eine mit Gewichten ausgestattete Ausgleichwelle kompensiert werden. Letzteres erhöht wieder den Raumbedarf, die Kosten sowie das Gewicht des gesamten Massenausgleichs.
Bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor lassen sich die durch die Massenkräfte 1. Ordnung hervorgerufenen Momente beispielsweise durch eine einzelne, mit Motordrehzahl gegensinnig zur Kurbelwelle umlaufende Ausgleichswelle, an deren Enden zwei um 180° versetzt, d. h. verdreht, angeordnete und als Unwucht dienende Ausgleichsgewichte vorgesehen sind, kompensieren.
Alternativ lassen sich die durch die Massenkräfte 1. Ordnung hervorgerufenen Momente bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor auch durch zwei als Unwucht dienende und entgegen gesetzt zueinander rotierende Ausgleichsgewichte kompensieren, wobei ein erstes Ausgleichsgewicht gleichsinnig mit der Kurbelwelle umläuft und ein zweites Ausgleichsgewicht gegensinnig zur Kurbelwelle umläuft. Der wesentliche Unterschied zu dem vorher beschriebenen Massenausgleich ist darin zu sehen, dass die beiden als Unwucht dienenden Ausgleichsgewichte entgegengesetzt zueinander rotieren. Folglich sind die beiden Ausgleichsgewichte nicht auf demselben Träger, beispielsweise einer Welle, anzuordnen, sondern auf unterschiedlichen Trägern, die ihnen die Rotationsbewegung in unterschiedlicher Drehrichtung aufprägen. Als Träger für das erste Ausgleichsgewicht kann beispielsweise die Kurbelwelle selbst dienen bzw. ein mit der Kurbelwelle verbundener Körper, beispielsweise ein Schwungrad. Das zweite Ausgleichsgewicht erfordert einen gegensinnig zur Kurbelwelle rotierenden Träger, der auch von der Kurbelwelle selbst angetrieben werden kann.
Wie vorstehend ausführlich dargelegt, erfordern viele Konzepte zum Ausgleich der Massenkräfte und/oder Massenmomente das Anordnen von als Unwucht dienenden Ausgleichsgewichten auf der Kurbelwelle.
Die Massenkraft der rotierenden Ersatzmasse beispielsweise kann durch auf der Kurbelwelle angeordnete Ausgleichsgewichte in ihrer Außenwirkung vollständig ausgeglichen werden. Dabei wird das mindestens eine als Unwucht dienende Ausgleichsgewicht zum Zwecke eines Massenausgleichs auf der gegenüberliegenden Seite der mindestens einen Kurbelwellenkröpfung der Kurbelwelle angeordnet.
Auch Konzepte zum Ausgleich der durch die Massenkräfte 1. Ordnung hervorgerufenen Momente, beispielsweise eines Drei-Zylinder-Reihenmotors, können sich als Unwucht dienenden Ausgleichsgewichten bedienen, die auf der Kurbelwelle angeordnet werden.
Das Anordnen von Ausgleichsgewichten auf der Kurbelwelle in der vorstehend beschriebenen Weise, kann konstruktive Probleme aufwerfen. Durchläuft der Kolben den unteren Totpunkt, befindet sich ein als Unwucht dienendes Ausgleichsgewicht, welches auf der gegenüberliegenden Seite der zum Kolben gehörenden Kurbelwellenkröpfung angeordnet ist, unmittelbar unterhalb des Kolbens, d. h. auf der dem Kolben zugewandten Seite. Eine Berührung zwischen Kolben und Ausgleichsgewicht bei umlaufender Kurbelwelle muss verhindert werden. Üblicherweise haben Ausgleichsgewichte auf der nach außen gewandten Seite eine kreisbogenförmige Gestalt. D. h. die in Umfangsrichtung verlaufende Außenseite des Ausgleichsgewichts weist zur Längsachse der Kurbelwelle einen im Wesentlichen gleichgroßen Abstand R auf.
Die beengten Platzverhältnisse im Kurbelgehäuse gestalten die Anordnung einer Ausgleichsmasse aber häufig schwierig bzw. erfordern die Anordnung einer vergleichsweise großen Ausgleichsmasse, da der wirksame Hebel, nämlich der Abstand des Schwerpunktes der Unwucht von der Längsachse der Kurbelwelle, aufgrund des geringen zur Verfügung stehenden Bauraums vergleichsweise klein, d. h. kurz ist bzw. gewählt werden muss.
Gegebenenfalls muss aufgrund der beengten Platzverhältnisse ein Massenausgleich außerhalb des Kurbelgehäuses vorgesehen werden. Das Vorsehen einer oder gegebenenfalls mehrerer Ausgleichswellen außerhalb des Kurbelgehäuses erhöht nicht nur den Raumbedarf im Motorraum eines Fahrzeuges und die Kosten, sondern auch den Kraftstoffverbrauch. Der erhöhte Kraftstoffverbrauch wird zum einen durch das zusätzliche Gewicht der Ausgleichseinheit verursacht. Zum anderen trägt die Ausgleichseinheit mit ihren rotierenden Wellen und anderen bewegten Bauteilen nicht unwesentlich zur Reibleistung der Brennkraftmaschine bei bzw. zur Erhöhung dieser Reibleistung. Letzterem kommt eine Relevanz insbesondere durch den Umstand zu, dass die Ausgleichseinheit immer und kontinuierlich in Betrieb ist, sobald die Brennkraftmaschine gestartet und betrieben wird.
Im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch sollten aber die Ausgleichsmassen und das gesamte Gewicht des Massenausgleichs grundsätzlich so gering wie möglich sein.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, welche hinsichtlich des Massenausgleichs optimiert ist.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen der Kurbelwelle einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder und mit einem Kurbeltrieb umfassend eine Kurbelwelle, bei dem

- die in einem Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle für jeden Zylinder eine dazugehörige Kurbelwellenkröpfung aufweist, wobei die Kurbelwellenkröpfungen entlang der Längsachse der Kurbelwelle beabstandet zueinander angeordnet sind,
- mindestens ein als Unwucht dienendes Ausgleichsgewicht zum Zwecke eines Massenausgleichs auf der gegenüberliegenden Seite mindestens einer Kurbelwellenkröpfung auf der Kurbelwelle angeordnet ist,
- jeder zu einem Zylinder gehörende Kolben mittels Pleuelstange mit der Kurbelwelle gelenkig verbunden ist, wobei die Pleuelstange an einem Ende über einen Kolbenbolzen mit dem Kolben gelenkig verbunden ist und an einem anderen Ende auf einem Kurbelzapfen der dazugehörigen Kurbelwellenkröpfung der Kurbelwelle drehbar gelagert ist, und
- die Längsachse des mindestens einen Kolbens die Längsachse der Kurbelwelle schneidet und die von den beiden Längsachsen aufgespannte Ebene bei im unteren Totpunkt befindlichen Kolben die Mittelebene des mindestens einen Ausgleichsgewichts bildet,

- das mindestens eine Ausgleichsgewicht auf der nach außen gewandten Seite keine kreisbogenförmige Gestalt aufweist, deren in Umfangsrichtung verlaufende Außenseite zur Längsachse der Kurbelwelle einen gleichgroßen Abstand aufweist, sondern die in Umfangsrichtung verlaufende Außenseite des mindestens einen Ausgleichsgewichts ausgehend von der Mittelebene zu beiden Seiten hin einen zur Längsachse der Kurbelwelle zunehmend großen Abstand s(α) aufweist.

Der wesentliche Unterschied des Kurbeltriebs einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Kurbeltrieben, bei denen die Ausgleichsgewichte auf der nach außen gewandten Seite eine kreisbogenförmige Gestalt haben, d. h. die in Umfangsrichtung verlaufende Außenseite eines Ausgleichsgewichts zur Längsachse der Kurbelwelle einen im Wesentlichen gleichgroßen Abstand R hat, ist darin zu sehen, dass erfindungsgemäß das mindestens eine als Unwucht dienende Ausgleichsgewicht genau diese kreisbogenförmige Gestalt nicht aufweist.
Die Längsachse der Kurbelwelle ist gleichzeitig die Drehachse der umlaufenden Kurbelwelle und die Drehachse der mit der Kurbelwelle umlaufenden Ausgleichsgewichte. Insofern wird die Umfangsrichtung von der umlaufenden Kurbelwelle vorgegeben, wobei die kreisbogenförmige Gestalt der Außenseite eines Ausgleichsgewichts durch einen in Umfangsrichtung rotierenden Zeiger der Länge R beschrieben bzw. abgefahren werden kann.
Das erfindungsgemäße Abweichen von der kreisbogenförmigen Gestalt ermöglicht es, den im Kurbelgehäuse begrenzt zur Verfügung stehenden Bauraum effektiver zu nutzen, d. h. bei gleichem Bauraum größere Unwuchtmassen auf der Kurbelwelle anzuordnen bzw. größere wirksame Hebel zu realisieren und damit die für den Massenausgleich erforderliche Unwuchtmasse zu reduzieren. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des mindestens einen Ausgleichsgewichts ermöglicht es nämlich den Abstand des Schwerpunktes der Unwucht von der Längsachse der Kurbelwelle zu vergrößern, d. h. den Hebel der Unwucht vergleichsweise lang zu gestalten. Ein Massenausgleich außerhalb des Kurbelgehäuses muss nicht vorgesehen werden.
Während die beengten Platzverhältnisse im Kurbelgehäuse nach dem Stand der Technik dazu führen können, dass der Massenausgleich zumindest teilweise außerhalb des Kurbelgehäuses angeordnet werden muss, kann dies durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des mindestens einen Ausgleichsgewichts vermieden werden.
Jeder zu einem Zylinder gehörende Kolben ist mittels Pleuelstange mit der Kurbelwelle gelenkig verbunden, wobei die Pleuelstange an einem Ende über einen Kolbenbolzen mit dem Kolben gelenkig verbunden ist und an einem anderen Ende auf einem Kurbelzapfen der dazugehörigen Kurbelwellenkröpfung der Kurbelwelle drehbar gelagert ist.
Vorliegend schneidet die Längsachse des mindestens einen Kolbens die Längsachse der Kurbelwelle und die von den beiden Längsachsen aufgespannte Ebene bildet bei im unteren Totpunkt befindlichen Kolben die Mittelebene des mindestens einen Ausgleichsgewichts.
Erfindungsgemäß weist die in Umfangsrichtung verlaufende Außenseite des mindestens einen Ausgleichsgewichts ausgehend von der Mittelebene zu beiden Seiten hin einen zur Längsachse der Kurbelwelle zunehmend großen Abstand s(α) auf.
Das mindestens eine Ausgleichsgewicht erhält dabei eine hammerförmige Gestalt, wobei der Schwerpunkt des Ausgleichsgewichts weiter nach außen wandert, d. h. der wirksame Hebel der Unwuchtmasse zunimmt.
Der Schwerpunkt des mindestens einen Ausgleichsgewichts wird durch den zunehmenden Abstand s(α) weiter nach außen verschoben, d. h. der Abstand des Schwerpunktes von der Längsachse der Kurbelwelle wird vergrößert, wodurch der wirksame Hebel der Unwuchtmasse zunimmt. Die Vorteile sind die bereits oben Beschriebenen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung handelt es sich um einen zunehmend großen Abstand, wenn der Abstand s(α) größer ist als der Abstand R in der Mittelebene, d. h. der Abstand kann mit zunehmendem Drehwinkel α auch wieder abnehmen, solange er größer ist als R.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst somit die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, welche hinsichtlich des Massenausgleichs optimiert ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine gemäß den Unteransprüchen werden im Folgenden erörtert.
Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Abstand s(α) der Außenseite zur Längsachse der Kurbelwelle ausgehend von der Mittelebene zu beiden Seiten hin in gleicher Weise zunimmt, so dass die in Umfangsrichtung verlaufende Außenseite des mindestens einen Ausgleichsgewichts symmetrisch zur Mittelebene ausgebildet ist.
Diese Ausführungsformen gestattet bei Kurbeltrieben, bei denen die Längsachse des mindestens einen Kolbens die Längsachse der Kurbelwelle schneidet, eine Ausgestaltung des mindestens einen Ausgleichsgewichts in der Art, dass der Abstand s(α) der Außenseite zur Längsachse der Kurbelwelle in der Art bemessen wird, dass der Abstand zwischen dem mindestens einen Ausgleichsgewicht und dem Kolben im Wesentlichen gleichgroß bleibt, wenn der Kolben den unteren Totpunkt durchläuft und das Ausgleichsgewicht den Kolben passiert.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen sich der Abstand s(α) der Außenseite zur Längsachse der Kurbelwelle ausgehend von der Mittelebene zu beiden Seiten hin in ungleicher Weise ändert.
Wie bereits erwähnt, sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen der Abstand s(α) der Außenseite zur Längsachse der Kurbelwelle in der Art bemessen ist, dass der Abstand zwischen dem mindestens einen Ausgleichsgewicht und dem Kolben im Wesentlichen gleichgroß bleibt, wenn der Kolben den unteren Totpunkt durchläuft und das Ausgleichsgewicht den Kolben passiert. Diese Ausgestaltung der Außenseite des mindestens einen Ausgleichsgewichts ermöglicht eine optimale Ausnutzung des im Kurbelgehäuse zur Verfügung stehenden Raums. Im Einzelfall wird bei dieser Betrachtung nicht von der tatsächlichen Gestalt des Kolbens ausgegangen, sondern vielmehr ein mit einer Einhüllenden ausgestatteter Kolben zugrunde gelegt.
Bei Kurbeltrieben für Brennkraftmaschinen mit drei Zylindern können Ausführungsformen vorteilhaft sein, bei denen die Kurbelwelle drei Kurbelwellenkröpfungen aufweist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für den Abstand s(α) gilt: s(α) = R + R [1 - cos(α) + 1/λ - 1/λ (1 - λ² sin²(α))^0,5], wobei

- R den Abstand s(α = 0) in der Mittelebene bezeichnet,
- α den Drehwinkel der Kurbelwelle ausgehend von einem im unteren Totpunkt befindlichen Kolben angibt, und
- λ das Verhältnis r/L angibt mit L als Pleuelstangenlänge und r als Kurbelradius.

Wird der Abstand s(α) der Außenseite von der Längsachse der Kurbelwelle entsprechend der vorstehend genannten Formel bemessen, ist bei Kurbeltrieben ohne Offset, bei denen die Längsachse des mindestens einen Kolbens die Längsachse der Kurbelwelle schneidet, der Abstand zwischen dem mindestens einen Ausgleichsgewicht und dem Kolben bzw. der Kolbeneinhüllenden über den Drehwinkel α gleichgroß, wenn der Kolben den unteren Totpunkt durchläuft und das Ausgleichsgewicht den Kolben passiert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine Ausgleichsgewicht eine Unwuchtmasse zum Ausgleich der Massenkraft der rotierenden Ersatzmasse umfasst.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine Ausgleichsgewicht eine Unwuchtmasse zum Ausgleich der durch die Massenkräfte 1. Ordnung hervorgerufenen Momente umfasst.
Wie bereits erwähnt, lassen sich die durch die Massenkräfte 1. Ordnung hervorgerufenen Momente, beispielsweise bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor, aber auch bei einem Fünf-Zylinder-Reihenmotor bzw. einem V-Motor mit sechs oder acht Zylindern, durch zwei als Unwucht dienende und entgegen gesetzt zueinander rotierende Ausgleichsgewichte kompensieren. Ein erstes gleichsinnig mit der Kurbelwelle umlaufendes Ausgleichsgewicht kann dabei auf der Kurbelwelle selbst angeordnet werden, wodurch das Vorsehen einer Ausgleichswelle entfällt. Die Kurbelwelle selbst übernimmt dabei die Funktion einer Ausgleichswelle.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Herstellen der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kurbelwelle mitsamt dem mindestens einen auf der Kurbelwelle angeordnetem Ausgleichsgewicht geschmiedet wird.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die Kurbelwelle mitsamt dem mindestens einen auf der Kurbelwelle angeordnetem Ausgleichsgewicht im Gesenk geschmiedet wird.
Alternativ kann die Kurbelwelle mitsamt dem mindestens einen auf der Kurbelwelle angeordnetem Ausgleichsgewicht auch gegossen und anschließend nachbearbeitet werden. Eine weitere Variante wäre eine gebaute Kurbelwelle, bei der die Kurbelwelle modular aufgebaut ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:

1 schematisch Teile des Kurbeltriebs einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine in einer Seitenansicht.

1 zeigt schematisch Teile des Kurbeltriebs 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mit im unteren Totpunkt befindlichen Kolben 5 in einer Seitenansicht.
Der Kurbeltrieb 1 umfasst eine Kurbelwelle 2 und einen Kolben 5, der mittels einer - nicht dargestellten - Pleuelstange mit der Kurbelwelle 2 gelenkig verbunden ist, wobei die Pleuelstange im kleinen Pleuelauge über einen Kolbenbolzen mit dem Kolben 5 gelenkig verbunden ist und im großen Pleuelauge auf einem Kurbelzapfen 3b der Kurbelwelle 2 drehbar gelagert ist. Der Kurbelzapfen 3b wird von zwei zueinander beabstandeten Kurbelwangen der dazugehörigen Kurbelwellenkröpfung 3 seitlich begrenzt.
Bei um die Längsachse 2a rotierender Kurbelwelle 2 führt der Kolben 5 eine oszillierende Bewegung entlang seiner Längsachse 5a aus (Drehrichtung α durch Pfeil kenntlich gemacht). Die Längsachse 5a des Kolbens 5 schneidet die Längsachse 2a der Kurbelwelle 2.
Auf der gegenüberliegenden Seite der Kurbelwellenkröpfung 3 ist zum Zwecke eines Massenausgleichs ein als Unwucht dienendes Ausgleichsgewicht 4 auf der Kurbelwelle 2 angeordnet. Die von der Längsachse 5a des Kolbens 5 und der Längsachse 2a der Kurbelwelle 2 aufgespannte Ebene bildet bei im unteren Totpunkt befindlichen Kolben 5 die Mittelebene 4a des Ausgleichsgewichts 4.
Dieses Ausgleichsgewicht 4 hat keine kreisbogenförmige Gestalt, wie aus dem Stand der Technik bekannt (siehe gestrichelte Linie), bei der die nach außen gewandten Seite, d. h. die in Umfangsrichtung verlaufende Außenseite 4b', zur Längsachse 2a der Kurbelwelle 2 einen über den Drehwinkel α gleichgroßen Abstand R aufweist.
Vielmehr weist die in Umfangsrichtung verlaufende Außenseite 4b des Ausgleichsgewichts 4 ausgehend von der Mittelebene 4a zu beiden Seiten hin einen zur Längsachse 2a der Kurbelwelle 2 zunehmend großen Abstand s(α) auf.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform nimmt der Abstand s(α) zu beiden Seiten hin in gleicher Weise zu, so dass die in Umfangsrichtung verlaufende Außenseite 4b des Ausgleichsgewichts 4 symmetrisch zur Mittelebene 4a ausgebildet ist.
Das Ausgleichsgewicht 4 erhält dadurch eine hammerförmige Gestalt, wobei der Schwerpunkt 4c des Ausgleichsgewichts 4 weiter nach außen wandert, im Vergleich zu einem Schwerpunkt 4c'eines herkömmlich gestalteten Ausgleichsgewichts.
Der Schwerpunkt 4c des Ausgleichsgewichts 4 wird durch den zu beiden Seiten der Mittelebene 4a zunehmenden Abstand s(α) weiter nach außen verschoben, d. h. der Abstand des Schwerpunktes 4c von der Längsachse 2a der Kurbelwelle 2 vergrößert sich, so dass der wirksame Hebel der Unwuchtmasse zunimmt.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform nimmt der Abstand s(α) zu beiden Seiten hin in gleicher Weise zu, so dass die in Umfangsrichtung verlaufende Außenseite 4b des Ausgleichsgewichts 4 symmetrisch zur Mittelebene 4a ausgebildet ist.
Das Ausgleichsgewicht 4 erhält dadurch eine hammerförmige Gestalt, wobei der Schwerpunkt 4c des Ausgleichsgewichts 4 weiter nach außen wandert, im Vergleich zu einem Schwerpunkt 4c'eines herkömmlich gestalteten Ausgleichsgewichts.
Der Schwerpunkt 4c des Ausgleichsgewichts 4 wird durch den zu beiden Seiten der Mittelebene 4a zunehmenden Abstand s(α) weiter nach außen verschoben, d. h. der Abstand des Schwerpunktes 4c von der Längsachse 2a der Kurbelwelle 2 vergrößert sich, so dass der wirksame Hebel der Unwuchtmasse zunimmt.
Bezugszeichenliste

1: Kurbeltrieb
2: Kurbelwelle
2a: Längsachse der Kurbelwelle, Drehachse
3: Kurbelwellenkröpfung
3a: Kurbelwange
3b: Kurbelzapfen
4: Ausgleichsgewicht, Unwuchtmasse
4a: Mittelebene
4b: Außenseite des Ausgleichsgewichts
4b': Außenseite eines Ausgleichsgewichts nach dem Stand der Technik
4c: Schwerpunkt des Ausgleichsgewicht
4c': Schwerpunkt eines Ausgleichsgewichts nach dem Stand der Technik
5: Kolben
5a: Längsachse des Kolbens

s(α): Abstand der Außenseite des Ausgleichsgewichts zur Längsachse der Kurbelwelle
α: Drehwinkel, Kurbelwellenwinkel

Claims

Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder und mit einem Kurbeltrieb (1) umfassend eine Kurbelwelle (2), bei dem - die in einem Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle (2) für jeden Zylinder eine dazugehörige Kurbelwellenkröpfung (3) aufweist, wobei die Kurbelwellenkröpfungen (3) entlang der Längsachse (2a) der Kurbelwelle (2) beabstandet zueinander angeordnet sind, - mindestens ein als Unwucht dienendes Ausgleichsgewicht (4) zum Zwecke eines Massenausgleichs auf der gegenüberliegenden Seite mindestens einer Kurbelwellenkröpfung (3) auf der Kurbelwelle (2) angeordnet ist, - jeder zu einem Zylinder gehörende Kolben (5) mittels Pleuelstange mit der Kurbelwelle (2) gelenkig verbunden ist, wobei die Pleuelstange an einem Ende über einen Kolbenbolzen mit dem Kolben (5) gelenkig verbunden ist und an einem anderen Ende auf einem Kurbelzapfen (3b) der dazugehörigen Kurbelwellenkröpfung (3) der Kurbelwelle (2) drehbar gelagert ist, und - die Längsachse (5a) des mindestens einen Kolbens (5) die Längsachse (2a) der Kurbelwelle (2) schneidet und die von den beiden Längsachsen (2a, 5a) aufgespannte Ebene bei im unteren Totpunkt befindlichen Kolben (5) die Mittelebene (4a) des mindestens einen Ausgleichsgewichts (4) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass - das mindestens eine Ausgleichsgewicht (4) auf der nach außen gewandten Seite keine kreisbogenförmige Gestalt aufweist, deren in Umfangsrichtung verlaufende Außenseite (4b) zur Längsachse (2a) der Kurbelwelle (2) einen gleichgroßen Abstand aufweist, sondern die in Umfangsrichtung verlaufende Außenseite (4b) des mindestens einen Ausgleichsgewichts (4) ausgehend von der Mittelebene (4a) zu beiden Seiten hin einen zur Längsachse (2a) der Kurbelwelle (2) zunehmend großen Abstand s(α) aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand s(α) der Außenseite (4b) zur Längsachse (2a) der Kurbelwelle (2) ausgehend von der Mittelebene (4a) zu beiden Seiten hin in gleicher Weise zunimmt, so dass die in Umfangsrichtung verlaufende Außenseite (4b) des mindestens einen Ausgleichsgewichts (4) symmetrisch zur Mittelebene (4a) ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Abstand s(α) der Außenseite (4b) zur Längsachse (2a) der Kurbelwelle (2) ausgehend von der Mittelebene (4a) zu beiden Seiten hin in ungleicher Weise ändert.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand s(α) der Außenseite (4b) zur Längsachse (2a) der Kurbelwelle (2) in der Art bemessen ist, dass der Abstand zwischen dem mindestens einen Ausgleichsgewicht (4) und dem Kolben (5) im Wesentlichen gleichgroß bleibt, wenn der Kolben (5) den unteren Totpunkt durchläuft und das Ausgleichsgewicht (4) den Kolben (5) passiert.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche für eine Brennkraftmaschine mit drei Zylindern, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (2) drei Kurbelwellenkröpfungen (3) aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Abstand s(α) gilt: s(α) = R + R [1 - cos(α) + 1/λ - 1/λ (1 - λ² sin²(α))^1,5], wobei - R den Abstand s(α = 0) in der Mittelebene (4a) bezeichnet, - α den Drehwinkel der Kurbelwelle (2) ausgehend von einem im unteren Totpunkt befindlichen Kolben (5) angibt, und - λ das Verhältnis r/L angibt mit L als Pleuelstangenlänge und r als Kurbelradius.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ausgleichsgewicht (4) eine Unwuchtmasse zum Ausgleich der Massenkraft der rotierenden Ersatzmasse umfasst.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ausgleichsgewicht (4) eine Unwuchtmasse zum Ausgleich der durch die Massenkräfte 1. Ordnung hervorgerufenen Momente umfasst.
Verfahren zum Herstellen der Kurbelwelle (2) einer Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (2) mitsamt dem mindestens einen auf der Kurbelwelle (2) angeordnetem Ausgleichsgewicht (4) geschmiedet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (2) mitsamt dem mindestens einen auf der Kurbelwelle (2) angeordnetem Ausgleichsgewicht (4) im Gesenk geschmiedet wird.