DE102015205317A1

DE102015205317A1 - Vibrationsausgleichsvorrichtung, insbesondere für eine Hubkolbenmaschine

Info

Publication number: DE102015205317A1
Application number: DE102015205317.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Pischinger
Original assignee: FEV GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2015-03-24
Filing date: 2015-03-24
Publication date: 2016-10-13

Abstract

Die Vibrationsausgleichsvorrichtung (10), insbesondere für eine Hubkolbenmaschine, ist mit einer ersten Kurbelwelle (12) versehen, die mindestens zwei Hubzapfen (18) aufweist. Ferner ist die Vibrationsausgleichsvorrichtung (10) mit einem ersten Pleuel (26) pro Hubzapfen (18) der ersten Kurbelwelle (12) versehen, wobei der erste Pleuel (26) einen mit dem betreffenden Hubzapfen (18) verbundenen Pleuelfuß (22) und einen Pleuelkopf (30) aufweist, der sich bei Drehung der ersten Kurbelwelle (12) auf- und abbewegt. Mindestens einer der Hubzapfen (18) der ersten Kurbelwelle (12) ist gegenüber mindestens einem anderen der Hubzapfen (18) der ersten Kurbelwelle (12) in einem Winkelversatz angeordnet. Die Vibrationsausgleichsvorrichtung weist eine zur ersten Kurbelwelle (12) im Wesentlichen baugleiche zweite Kurbelwelle(14) mit Hubzapfen (20) auf. Ferner weist die Vibrationsausgleichsvorrichtung einen zweiten Pleuel (28) pro Hubzapfen (20) der zweiten Kurbelwelle (14) auf, wobei der zweite Pleuel (28) einen mit dem betreffenden Hubzapfen (20) der zweiten Kurbelwelle (14) verbundenen Pleuelfuß (24) und einen Pleuelkopf (32) aufweist, der sich bei Drehung der zweiten Kurbelwelle (14) auf- und abbewegt. Die Pleuelköpfe (30, 32) der ersten und zweiten Pleuel (26, 28) sind paarweise miteinander gekoppelt und bewegen sich in einer Hubebene auf- und ab. Die beiden Kurbelwellen (12, 14) sind symmetrisch zur Hubebene (16) angeordnet. Die miteinander gekoppelten Pleuelköpfe (30, 32) der Pleuelpaare (34, 36) bilden die einzige der gegensinnigen Drehung beider Kurbelwellen (12, 14) dienende, kinematische Kopplung der beiden Kurbelwellen (12, 14).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vibrationsausgleichsvorrichtung, die vorzugsweise Anwendung bei Hubkolbenmaschinen findet.
Arbeitsmaschinen mit sich automatisch drehenden bzw. bewegenden Teilen, Elementen, Einheiten oder Baugruppen sind Vibrationen auf Grund von Linear- und Rotationsbeschleunigungen ausgesetzt. Bei Hubkolbenmaschinen ist es bekannt, die Hubbewegungen durch Ausgleichsmassen an der Kurbelwelle oder an Ausgleichswellen zu kompensieren. Beim Anfahren von Arbeitsmaschinen mit drehenden Wellen ist mitunter die Ausgleichsbewegung der Arbeitsmaschine aufgrund der Rotationsbeschleunigung der der Kurbelwelle, die nach dem Prinzip "actio gleich reactio" hervorgerufen wird, spürbar.
Aus DE 103 48 345 B4 , DE 30 00 531 A1 , DE 34 26 487 A1 und DE 10 2010 025 002 A1 sowie DE 202 20 466 U1 ist es jeweils bekannt, bei Hubkolben-Brennkraftmaschinen zwei gegensinnig drehende Kurbelwellen vorzusehen, die über Zahnräder oder Zahnriemen miteinander drehgekoppelt sind. Nachteil bei diesen Anordnungen ist, dass die Kopplung über Zahnräder bzw. über Zahnriemen mit einer zusätzlichen Geräuschentwicklung verbunden ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vibrationsausgleichsvorrichtung für insbesondere Hubkolbenmaschinen zu schaffen, die geräuscharm ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Vibrationsausgleichsvorrichtung, insbesondere für eine Hubkolbenmaschine, vorgeschlagen, die versehen ist mit

– einer ersten Kurbelwelle, die mindestens zwei Hubzapfen aufweist,
– einem ersten Pleuel pro Hubzapfen der ersten Kurbelwelle, wobei der erste Pleuel einen mit dem betreffenden Hubzapfen verbundenen Pleuelfuß und einen Pleuelkopf aufweist, der sich bei Drehung der ersten Kurbelwelle auf- und abbewegt,
– wobei mindestens einer der Hubzapfen der ersten Kurbelwelle gegenüber mindestens einem anderen der Hubzapfen der ersten Kurbelwelle in einem Winkelversatz von 0° bis 360°, mit Ausnahme von 0°, 180° und 360°, angeordnet ist und
– einer zur ersten Kurbelwelle im Wesentlichen baugleichen zweiten Kurbelwelle mit Hubzapfen und
– einem zweiten Pleuel pro Hubzapfen der zweiten Kurbelwelle, wobei der zweite Pleuel einen mit dem betreffenden Hubzapfen der zweiten Kurbelwelle verbundenen Pleuelfuß und einen Pleuelkopf aufweist, der sich bei Drehung der zweiten Kurbelwelle auf- und abbewegt,
– wobei die Pleuelköpfe der ersten und zweiten Pleuel paarweise miteinander gekoppelt sind und sich in einer Hubebene auf- und abbewegen,
– wobei die beiden Kurbelwellen symmetrisch zur Hubebene angeordnet sind und
– wobei die miteinander gekoppelten Pleuelköpfe der Pleuelpaare die einzige der gegensinnigen Drehung beider Kurbelwellen dienende, kinematische Kopplung der beiden Kurbelwellen bilden.

Nach der Erfindung weist die Vibrationsausgleichsvorrichtung eine Doppelkurbelwellenanordnung aus einer ersten und einer zweiten Kurbelwelle auf, die im Wesentlichen baugleich sind. Jede Kurbelwelle ist mit mindestens zwei Hubzapfen versehen. Pro Hubzapfen der ersten Kurbelwelle ist ein erster Pleuel vorgesehen, dessen Pleuelfuß gelenkig am betreffenden Hubzapfen gelagert ist und der einen Pleuelkopf aufweist. Auch die beiden Hubzapfen der zweiten Kurbelwelle sind jeweils gelenkig mit dem Pleuelfuß eines zweiten Pleuels verbunden, wobei auch die zweiten Pleuel jeweils einen Pleuelkopf aufweisen. Die Pleuelköpfe der zweiten Pleuel sind jeweils paarweise miteinander gekoppelt, wobei bei Drehung der beiden Kurbelwellen die Pleuelköpfe in einer Hubebene auf- und abbewegbar sind.
Erfindungsgemäß bildet nun diese Hubebene eine Symmetrieebene für die beiden Kurbelwellen nebst deren Pleuel. Mit anderen Worten sind die beiden Kurbelwellen und die Pleuel symmetrisch zur Hubebene angeordnet.
Erfindungsgemäß gilt ferner, dass pro Kurbelwelle mindestens einer der Hubzapfen gegenüber mindestens einem anderen der Hubzapfen einen Winkelversatz von mehr als 0° und weniger als 180° aufweist. Hierdurch ist es möglich, dass in jeder Drehstellung der beiden Kurbelwellen von diesen auf die Pleuel oder umgekehrt ein Moment (Drehmoment bzw. Linearbewegungsmoment) aufgebracht werden kann. Ein solches Moment kann bekannterweise nicht aufgebracht werden, wenn Hubzapfen, Drehachse der Kurbelwelle und Pleuelkopf auf einer Geraden angeordnet sind, was in bestimmten Drehstellungen der Kurbelwellen möglich ist. Erfindungsgemäß existiert nun in jeder Drehstellung der beiden Kurbelwellen mindestens ein Pleuelpaar, bei dem die zuvor genannte Konstellation nicht gegeben ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Konzept ist es also möglich, eine Vibrationsausgleichsvorrichtung zu schaffen, bei der sich zwei Kurbelwellen gegensinnig drehen, ohne über Zahnräder, Zahnriemen o.dgl. kämmende Drehbewegungsübertragungselemente miteinander gekoppelt zu sein. Die einzige kinematische Kopplung der beiden Kurbelwellen wird erfindungsgemäß über die Pleuelköpfe der Pleuelpaare realisiert.
Dies gilt auch dann, wenn, wie es nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Fall sein kann, jede Kurbelwelle ein Schwungrad aufweist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Pleuelköpfe jedes Pleuelpaars direkt miteinander mechanisch verbunden sind.
Alternativ kann es zweckmäßig sein, wenn die Pleuelköpfe jedes Pleuelpaars mittels eines Verbindungselements mechanisch verbunden sind, wobei die Verbindungselemente zur Ausführung der Auf- und Abbewegungen der Pleuelköpfe linear geführt sind.
Wie bereits oben erwähnt, eignet sich die erfindungsgemäße Vibrationsausgleichsvorrichtung insbesondere für Arbeitsmaschinen mit Hubkolben. Als Beispiel hierfür sei eine Pumpe, eine anderweitige Maschine zur Umsetzung einer Rotationsbewegung in eine Linearbewegung und schließlich aber auch eine Verbrennungskraftmaschine genannt. Die erfindungsgemäße Vibrationsausgleichsvorrichtung kann vorteilhafterweise integraler Bestandteil einer Arbeitsmaschine der zuvor genannten Art sein; es ist aber auch ebenso möglich, dass die erfindungsgemäße Vibrationsausgleichsvorrichtung als zusätzliche Einheit zur Arbeitsmaschine vorgesehen ist, die mit der Antriebs- oder Abtriebswelle der Arbeitsmaschine gekoppelt ist.
Damit ist es also gemäß einer ersten Variante der Erfindung möglich, dass die erste oder die zweite Kurbelwelle mit einer Antriebswelle einer Arbeitsmaschine wie z.B. einer Pumpe gekoppelt ist, die hinsichtlich durch Rotationsbeschleunigungen hervorgerufener Vibrationen zu kompensieren ist. Bei einer zweiten Variante der Erfindung kann demnach vorgesehen sein, dass an den Pleuelköpfen mindestens eines der Pleuelpaare ein Hubkolben gelagert ist, der in einem Zylinder einer Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnet ist.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Kopplung zweier Kurbelwellen ausschließlich über die Pleuel, also ohne beispielsweise Zahnräder, Zahnriemen o.dgl. wird eine äußerst geräuscharm arbeitende Vibrationsausgleichsvorrichtung geschaffen, zu deren Konstruktion auf im Motorenbau konventionelle Technologie, nämlich Pleuel mit Kurbelwellen, zurückgegriffen werden kann. Die erfindungsgemäße Vibrationsausgleichsvorrichtung ist äußerst geräuscharm und dauerhaltbar. Mit Hilfe der Pleuelkopplung können beispielsweise wesentlich größere Drehmomente störungsfrei übertragen wird, als dies bei einer Zahnrad- bzw. Zahnriemen-gekoppelten Kurbelwellenanordnung der Fall wäre. Die erfindungsgemäß geräuscharm arbeitende Vibrationsausgleichsvorrichtung dient der Drehrichtungsumkehr einer Antriebs- oder Kurbelwelle bzw. einer Abtriebswelle, und zwar unabhängig von der Form einer derartigen Antriebs- bzw. Abtriebswelle.
Als Winkelversatz, wie er weiter oben im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vibrationsausgleichsvorrichtung für die Kurbelwellen-Hubzapfen beschrieben ist, kommt beispielsweise ein Winkelversatz von 90° in Frage. Ferner ist es möglich, dass sämtliche Kurbelwellen-Hubzapfen jeder der beiden Kurbelwellen jeweils Winkelversätze relativ zueinander aufweisen. Es ist aber auch ebenso möglich, dass bis auf einen der Kurbelwellen-Hubzapfen jeder Kurbelwelle die verbleibenden anderen Kurbelwellen-Hubzapfen dieser Kurbelwelle miteinander fluchten, also keinen Winkelversatz zueinander aufweisen. Mit anderen Worten muss also mindestens ein Pleuelpaare gegenüber den anderen Pleuelpaaren winkelversetzt mit den Kurbelwellen gekoppelt sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung ist eine Doppelkurbelwellenanordnung mit zwei Hubkolben gezeigt.
In der Zeichnung ist perspektivisch und schematisch ein Teil einer Vibrationsausgleichsvorrichtung 10 mit zwei im Wesentlichen baugleichen Kurbelwellen 12, 14 gezeigt, die zu einer zwischen ihnen verlaufenden (Hub-)Ebene 16 symmetrisch angeordnet sind. Beide Kurbelwellen 12, 14 weisen mindestens zwei (Kurbelwellen-)Hubzapfen auf, wobei die beiden ersten Hubzapfen 18 der ersten Kurbelwelle 12 wie die beiden Hubzapfen 20 der zweiten Kurbelwelle 14 um einen Winkel von z.B. 90° versetzt zueinander angeordnet sind.
An den Hubzapfen 18 und 20 sind die Pleuelfüße 22, 24 von ersten Pleuel 26 bzw. zweiten Pleuel 28 gelagert, deren Pleuelköpfe 30 bzw. 32 miteinander gekoppelt sind. Auf diese Weise sind die beiden Kurbelwellen 12, 14 über (mindestens) zwei Pleuelpaare 34, 36 miteinander kinematisch gekoppelt. Damit bewegen sich die Pleuelköpfe 30 und 32 in der Hubebene 16 auf und ab. An den Enden der Kurbelwellen 12, 14 können Schwungräder 38, 40 angeordnet sein.
Beide Kurbelwellen 12, 14 drehen sich gegensinnig, womit die Vibrationsausgleichsvorrichtung 10 hinsichtlich während ihres Betriebs seitens der Kurbelwellen und Pleuel sowie Schwungräder auftretender Rotationsbeschleunigungen ausgeglichen ist. Beide Kurbelwellen 12, 14 sind ohne Verzahnung o.dgl. miteinander kinematisch gekoppelt, was einen äußerst geräuscharmen betrieb der Vibrationsausgleichsvorrichtung 10 gewährleistet.
Die Vibrationsausgleichsvorrichtung 10 kann Teil einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine sein, dessen Hubkolben in der Zeichnung bei 42 angedeutet sind. Die Vibrationsausgleichsvorrichtung 10 bzw. Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine kann mehr als zwei Hubkolben aufweisen.
Auf Grund der geringen bzw. nicht vorhandenen Geräuschentwicklung der Vibrationsausgleichsvorrichtung eignet sich diese insbesondere in Kombination mit Range-Extendern von Elektrofahrzeugen, wobei die Vibrationsausgleichsvorrichtung zweckmäßigerweise mit der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine des Range-Extenders gekoppelt bzw. integraler Bestandteil dieser Verbrennungskraftmaschine ist.
Bezugszeichenliste

10: Vibrationsausgleichsvorrichtung
12: erste Kurbelwelle
14: zweite Kurbelwelle
16: Hubebene
18: erster Hubzapfen
20: zweiter Hubzapfen
22: Pleuelfuß
24: Pleuelfuß
26: erster Pleuel
28: zweiter Pleuel
30: Pleuelkopf
32: Pleuelkopf
34: Pleuelpaar
36: Pleuelpaar
38: Schwungrad
40: Schwungrad
42: Hubkolben

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10348345 B4 [0003]
DE 3000531 A1 [0003]
DE 3426487 A1 [0003]
DE 102010025002 A1 [0003]
DE 20220466 U1 [0003]

Claims

Vibrationsausgleichsvorrichtung, insbesondere für eine Hubkolbenmaschine, mit – einer ersten Kurbelwelle (12), die mindestens zwei Hubzapfen (18) aufweist, – einem ersten Pleuel (26) pro Hubzapfen (18) der ersten Kurbelwelle (12), wobei der erste Pleuel (26) einen mit dem betreffenden Hubzapfen (18) verbundenen Pleuelfuß (22) und einen Pleuelkopf (30) aufweist, der sich bei Drehung der ersten Kurbelwelle (12) auf- und abbewegt, – wobei mindestens einer der Hubzapfen (18) der ersten Kurbelwelle (12) gegenüber mindestens einem anderen der Hubzapfen (18) der ersten Kurbelwelle (12) in einem Winkelversatz von mehr als 0° und weniger als 360° oder mehr als 180° und weniger als 360° angeordnet ist und – einer zur ersten Kurbelwelle (12) im Wesentlichen baugleichen zweiten Kurbelwelle(14) mit Hubzapfen (20) und – einem zweiten Pleuel (28) pro Hubzapfen (20) der zweiten Kurbelwelle (14), wobei der zweite Pleuel (28) einen mit dem betreffenden Hubzapfen (20) der zweiten Kurbelwelle (14) verbundenen Pleuelfuß (24) und einen Pleuelkopf (32) aufweist, der sich bei Drehung der zweiten Kurbelwelle (14) auf- und abbewegt, – wobei die Pleuelköpfe (30, 32) der ersten und zweiten Pleuel (26, 28) paarweise miteinander gekoppelt sind und sich in einer Hubebene auf- und abbewegen, – wobei die beiden Kurbelwellen (12, 14) symmetrisch zur Hubebene (16) angeordnet sind und – wobei die miteinander gekoppelten Pleuelköpfe (30, 32) der Pleuelpaare (34, 36) die einzige der gegensinnigen Drehung beider Kurbelwellen (12, 14) dienende, kinematische Kopplung der beiden Kurbelwellen (12, 14) bilden.
Vibrationsausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kurbelwelle (12, 14) ein Schwungrad (38, 40) aufweist, wobei beide Schwungräder (38, 40) im Wesentlichen baugleich sind und/oder ein im Wesentlichen gleich großes Trägheitsmoment aufweisen, und dass auch die beiden Schwungräder (38, 40) ausschließlich über die Pleuelköpfe (30, 32) der Pleuelpaare (34, 36) kinematisch gekoppelt sind.
Vibrationsausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pleuelköpfe (30, 32) jedes Pleuelpaars (34, 36) direkt miteinander mechanisch verbunden sind.
Vibrationsausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pleuelköpfe(30, 32) jedes Pleuelpaars (34, 36) mittels eines Verbindungselements mechanisch verbunden sind und dass die Verbindungselemente zur Ausführung der Auf- und Abbewegungen der Pleuelköpfe (30, 32) linear geführt sind.
Vibrationsausgleichsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oder die zweite Kurbelwelle (12, 14) mit einer Antriebswelle einer Arbeitsmaschine wie z.B. einer Pumpe gekoppelt ist, die hinsichtlich durch Rotationsbeschleunigungen hervorgerufener Vibrationen zu kompensieren ist.
Vibrationsausgleichsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an den Pleuelköpfen (30, 32) mindestens eines der Pleuelpaare (34, 36) ein Hubkolben (42) gelagert ist, der in einem Zylinder einer Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnet ist.