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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kurbelwelle mit einem um eine Rotationsachse ausgebildeten Schaft und zumindest einem zum Schaft gekröpft angeordneten Pleuellager, ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Hubkolbenmotor sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Kurbelwelle.
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Im Stand der Technik sind Kurbelwellen für einen Kurbeltrieb von Hubkolbenmaschinen bekannt. So zeigt die
DE 102013203560 A1 eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder und mit einem Kurbeltrieb, bei dem eine in einem Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle für jeden Zylinder eine dazugehörige Kurbelwellenkröpfung aufweist. Die Kurbelwellenkröpfungen sind entlang der Längsachse der Kurbelwelle beabstandet zueinander angeordnet. Mindestens ein als Unwucht dienendes Ausgleichsgewicht ist dabei zum Zwecke eines Massenausgleichs auf der gegenüberliegenden Seite mindestens einer Kurbelwellenkröpfung auf der Kurbelwelle angeordnet.
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Aus der
US 4489683 A ist ein Ausgleicher insbesondere für Massenkräfte der 2. Ordnung für Mehrzylindermotoren bekannt, wobei exzentrisch zur Kurbelwelle Gegengewichte gegensätzlich rotieren, die von einem Ring oder einem Sonnenrad angetrieben werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Massenwirkungen in einer Hubkolbenmaschine zumindest zu verringern.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Kurbelwelle nach Anspruch 1 sowie einem Hubkolbenmotor nach Anspruch 8 und einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 10. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Kurbelwelle umfasst einen um eine Rotationsachse ausgebildeten Schaft und zumindest ein zum Schaft gekröpft angeordnetes Pleuellager. Erfindungsgemäß weist die Kurbelwelle zumindest eine Ausgleichseinheit auf, die aus einem konzentrisch zum Schaft angeordneten wenigstens einstufigen Planetengetriebe und zumindest einer an dem Planetengetriebe befestigten Ausgleichsmasse gebildet ist. Das Planetengetriebe umfasst zumindest einen Planetenträger und von dem Planetenträger getragene Planetenräder und zumindest ein Hohlrad. Der Schaft ist als Sonnenrad des Planetengetriebes ausgebildet.
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Beim Rotieren des Schafts um die Rotationsachse bewegt sich die zumindest eine Ausgleichsmasse damit vorteilhaft um den Schaft herum, wenn der Planetenträger oder das Hohlrad drehfest zur Rotationsachse fixiert ist. Die Ausgleichsmasse ist dabei am Hohlrad oder am Planetenträger befestigt.
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Die Ausgleichsmasse stellt dabei eine Unwucht da, die vorteilhaft genutzt werden kann, um Massenwirkungen bei einer Hubkolbenmaschine, bei der die Kurbelwelle verbaut ist, auszugleichen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kurbelwelle weist das Planetengetriebe eine erste Stufe und eine zweite Stufe auf, wobei die erste Stufe mehrere erste Planetenräder, einen ersten Planetenträger und ein erstes Hohlrad aufweist und die zweite Stufe mehrere zweite Planetenräder, einen zweiten Planetenträger und ein zweites Hohlrad aufweist. Das erste Hohlrad und der zweite Planetenträger sind drehfest miteinander verbunden und die zumindest eine Ausgleichsmasse ist an dem zweiten Hohlrad befestigt. In verbautem Zustand ist der erste Planetenträger drehfest zur Rotationsachse fixiert.
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Damit ist eine Ausführung bereitgestellt, bei dem das zweite Hohlrad mit der wenigstens einen Ausgleichsmasse gegensinnig zum Schaft rotieren kann. Insbesondere sind hierbei zwei gegenüberliegend angeordnete Ausgleichsmassen am zweiten Hohlrad angeordnet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kurbelwelle weisen die ersten Planetenräder jeweils den halben, das erste Hohlrad den doppelten, die zweiten Planetenräder jeweils den gleichen und das zweite Hohlrad den dreifachen Radius des Sonnenrads auf.
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Mit diesem Größenverhältnis ist es ermöglicht, dass das zweite Hohlrad die gleiche Drehzahl wie der Schaft aufweist, wenn der Schaft um die Rotationsachse rotiert und der erste Planetenträger zur Rotationsachse fixiert ist. Mit zwei Ausgleichsmassen, die mit gleicher Drehzahl wie der Schaft gegensinnig zum Schaft rotieren, lassen sich damit Massemomente 1. Ordnung in einem Hubkolbenmotor, in dem die Kurbelwelle verbaut ist, ausgleichen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kurbelwelle weist die Kurbelwelle ein Funktionselement auf und die Ausgleichseinheit ist in das Funktionselement integriert. Das Funktionselement ist insbesondere ein Flansch oder eine Riemenscheibe oder ein Schwungrad. Insbesondere ist eine erste Ausgleichseinheit in ein erstes Funktionselement und eine zweite Ausgleichseinheit in ein zweites Funktionselement, welches andersartig als das erste Funktionselement ist, integriert.
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Damit kann die Kurbelwelle im Gegensatz zu einer Ausgestaltung mit separat auf dem Schaft platzierten Ausgleichseinheiten kürzer und leichter ausgelegt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kurbelwelle weist die Kurbelwelle drei Pleuellager auf. Insbesondere beträgt dabei ein Winkel zwischen zwei Pleuellagern 120°.
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Die Kurbelwelle ist dadurch für Dreizylindermotoren ausgelegt und weist mit den Kröpfungswinkeln eine zentralsymmetrische Anordnung auf, wodurch sich freie Massenkräfte im Hubkolbenmotor, in dem die Kurbelwelle verbaut ist, gegenseitig aufheben können.
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Die erfindungsgemäße Kurbelwelle ist bevorzugt in einen Hubkolbenmotor integriert. Insbesondere ist die Ausgestaltung mit zweistufigem Planetengetriebe in den Hubkolbenmotor integriert. Dabei ist der erste Planetenträger drehfest zu einem Gehäuse des Hubkolbenmotors angeordnet.
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Der Hubkolbenmotor gleicht mit der erfindungsgemäßen Kurbelwelle im Betrieb auftretende Massenwirkungen seines Kolbentriebs aus. Der Hubkolbenmotor weist dadurch geringere Vibrationen und insbesondere kein Schaukeln um den mittleren Zylinder auf.
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Der Hubkolbenmotor ist bevorzugt in ein Kraftfahrzeug integriert.
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Die Vorteile des Hubkolbenmotors kommen so dem Kraftfahrzeug zugute. Die gesteigerte Laufruhe des Hubkolbenmotors verbessert den Fahrkomfort des Kraftfahrzeugs.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug in einer beispielhaften Ausgestaltung;
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2 ein erfindungsgemäßer Hubkolbenmotor in einer beispielhaften Ausgestaltung;
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3 eine erfindungsgemäße Kurbelwelle in einer ersten beispielhaften Ausgestaltung;
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4 die Kurbelwelle in einer zweiten beispielhaften Ausgestaltung; und
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5 eine Ausgleichseinheit der erfindungsgemäßen Kurbelwelle.
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In der 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 10 in einer beispielhaften Ausgestaltung schematisch dargestellt. Das Kraftfahrzeug 10 weist einen erfindungsgemäßen Hubkolbenmotor 11 auf, der insbesondere als Antriebsmotor ausgebildet ist.
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In der 2 ist der erfindungsgemäße Hubkolbenmotor 11 in einer beispielhaften Ausgestaltung dargestellt. Wie es bei Hubkolbenmotoren üblich ist, weist dieser zumindest einen Zylinder auf, in dem ein Kolben 12 sitzt. Der Kolben 12 ist über ein Pleuel 13 mit einer erfindungsgemäßen Kurbelwelle 14 in üblicher Weise verbunden. Der Hubkolbenmotor 11 ist beispielsweise ein Dreizylinder-Motor mit einem Zündabstand von 240° / 240°.
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In den 3 und 4 ist die erfindungsgemäße Kurbelwelle 14 zwei unterschiedlichen beispielhaften Ausgestaltungen dargestellt. Die Kurbelwelle weist einen Schaft 15 auf, der entlang einer Rotationsachse 31 ausgebildet ist. Entlang des Schafts 15 ist zumindest ein Pleuellager 18 angeordnet. Das zumindest eine Pleuellager 18 ist, wie es üblich ist, zum Schaft 15 gekröpft angeordnet. An der Stelle des zumindest einen Pleuellagers 18 ist der Schaft 15 unterbrochen. Die Kurbelwelle 14 weist in den in den 3 und 4 dargestellten Ausgestaltungen beispielhaft jeweils drei Pleuellager 18 auf. Die dargestellte Kurbelwelle 14 ist mithin drei-hübig. Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann die Kurbelwelle 14 beispielsweise auch insgesamt zwei Pleuellager 18 zur Montage in einem zwei Zylinder in Reihe aufweisenden Motor 11 oder insgesamt fünf Pleuellager 18 zur Montage in einem fünf Zylinder in Reihe aufweisenden Motor 11 besitzen.
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Die Kurbelwelle 14 ist bevorzugt zentralsymmetrisch zur Rotationsachse ausgebildet. Die Pleuellager 18 sind dabei in einer Projektion auf eine Ebene, für die die Rotationsachse 31 eine Normale ist, gleichmäßig entlang eines Kreisumfangs verteilt. In den in den 3 und 4 gezeigten beispielhaften Ausgestaltungen weist die Kurbelwelle 14 eine Kurbelkröpfung von 120° auf. in der Projektion auf die Ebene, für die die Rotationsachse 31 eine Normale ist, beträgt ein Winkel zwischen zwei benachbarten der drei Pleuellager 18 120°. Bei einer zwei-hübigen Ausgestaltung mit zwei Pleuellagern 18 beträgt die Kurbelkröpfung der erfindungsgemäßen Kurbelwelle 14 bevorzugt 180° und bei einer fünf-hübigen Ausgestaltung mit fünf Pleuellagern 18 beträgt die Kurbelkröpfung der erfindungsgemäßen Kurbelwelle 14 bevorzugt 72°. Die Pleuellager 18 sind bevorzugt entlang der Rotationsachse 31 gleichmäßig zueinander beabstandet.
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Die in den 3 und 4 dargestellten Ausgestaltungen der Kurbelwelle 14 weisen jeweils zumindest gegenüber einem Pleuellager 18 zumindest ein Gegengewicht 19 auf. Der Schaft 15 der Kurbelwelle 14 ist an zumindest zwei Stellen als Lager 20 ausgestaltet. Diese Lager 20 sind ausgebildet, die Kurbelwelle 14 in dem Hubkolbenmotor 11, insbesondere in einem Kurbelgehäuse des Hubkolbenmotors 11 zu lagern.
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Die Kurbelwelle 14 weist insbesondere zumindest ein konzentrisch zum Schaft 15 angeordnetes Funktionselement 16, 17 auf. In den in den 3 und 4 abgebildeten Ausgestaltungen weist die Kurbelwelle 14 an einem Ende einen Flansch 16 und am anderen Ende eine Riemenscheibe 17 auf. Das Funktionselement kann zudem ein Rad, ein Zahnrad, ein Schwungrad oder dergleichen sein.
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Die Kurbelwelle 14 weist erfindungsgemäß zumindest eine Ausgleichseinheit 21 auf. Insbesondere weist die Kurbelwelle 14 zwei Ausgleichseinheiten auf, die nicht zwischen den Pleuellagern 18 mithin außerhalb der Pleuellager 18 konzentrisch zum Schaft angeordnet sind. Insbesondere sind die zwei Ausgleichseinheiten 21 jeweils an einem Ende der Kurbelwelle 14 angeordnet. In der in der 3 gezeigten Ausgestaltungsvariante weist die Kurbelwelle 14 eine erste Ausgleichseinheit 21 auf, die zwischen dem Flansch 16 und dem äußeren Pleuellager 18 des einen Endes der Kurbelwelle 14 angeordnet ist, und eine zweite Ausgleichseinheit 21, die zwischen der Riemenscheibe 17 und dem äußeren Pleuellager 18 des anderen Endes der Kurbelwelle 14 angeordnet ist. Zudem ist es im Sinne der vorliegenden Erfindung möglich, dass in das zumindest eine Funktionselement 16, 17 eine Ausgleichseinheit 21 integriert ist. In der in der 4 gezeigten Ausgestaltungsvariante weist die Kurbelwelle 14 eine erste Ausgleichseinheit 21 auf, die in den Flansch 16 integriert ist, und eine zweite Ausgleichseinheit 21, die in die Riemenscheibe 17 integriert ist.
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Die Ausgleichseinheit 21 der erfindungsgemäßen Kurbelwelle 14 ist in der 5 in einer beispielhaften Ausgestaltung dargestellt. Dabei zeigt die rechte Bildhälfte schematisch eine Seitenansicht der linken Bildhälfte. Die Ausgleichseinheit 21 ist aus einem insbesondere zweistufigen Planetengetriebe gebildet. Planetengetriebe, auch Umlaufrädergetriebe genannt, sind grundsätzlich bekannt. In der in der 5 gezeigten Ausgestaltung weist das Planetengetriebe eine erste Stufe 22 und eine zweite Stufe 23 auf. Der Schaft 15 ist als Sonnenrad 15 beider Stufen ausgebildet. Die erste Stufe 22 weist von einem ersten Planetenträger 24 getragene erste Planetenräder 25 und ein erstes Hohlrad 26 auf. Die ersten Planetenräder 25 sind um das Sonnenrad 15 herum angeordnet und sind mit dem Sonnenrad 15 im Eingriff. Um die ersten Planetenräder 25 herum und mit diesen im Eingriff ist das erste Hohlrad 26 angeordnet. Die zweite Stufe 23 weist von einem zweiten Planetenträger 27 getragene zweite Planetenräder 28 und ein zweites Hohlrad 29 auf. Die zweiten Planetenräder 28 sind um das Sonnenrad 15 herum angeordnet und sind mit dem Sonnenrad 15 im Eingriff. Um die zweiten Planetenräder 28 herum und mit diesen im Eingriff ist das zweite Hohlrad 29 angeordnet. Insbesondere ist der erste Planetenträger 24 in montiertem Zustand drehfest mit dem Kurbelgehäuse verbunden. Das erste Hohlrad 26 und der zweite Planetenträger 27 sind drehfest miteinander verbunden. Durch die Fixierung des ersten Planetenträgers relativ zum Motor 11 und die Fixierung des ersten Hohlrads 26 relativ zum zweiten Planetenträger 27 dreht sich das zweite Hohlrad 29 in entgegengesetzter Drehrichtung zum Schaft 15, wenn der Schaft 15 rotiert.
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Die Räder 25, 26, 28, 29 weisen insbesondere ein Größenverhältnis auf, bei dem die ersten Planetenräder 25 jeweils einen Radius haben, der halb so groß wie der Radius des Sonnenrads 15 ist, und das erste Hohlrad 26 einen Radius hat, der doppelt so groß wie der Radius des Sonnenrads 15 ist, und die zweiten Planetenräder 28 jeweils einen Radius haben, der gleich groß wie der Radius des Sonnenrads 15 ist, und das zweite Hohlrad 29 einen Radius hat, der dreifach so groß wie der Radius des Sonnenrads 15 ist. Mit diesem Verhältnis dreht sich das zweite Hohlrad 29 in derselben Drehzahl wie der Schaft 15, wenn der Schaft 15 rotiert.
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Zum Ausbalancieren von Massenwirkungen im Motor 11 weist die Ausgleichseinheit 21 zumindest eine Ausgleichsmasse 30 auf. Die zumindest eine Ausgleichsmasse 30 ist in der Weise dimensioniert und angeordnet, dass diese den Massenwirkungen des Motors 11 entgegenwirkt. Insbesondere sind mehrere Ausgleichsmassen 30 am zweiten Hohlrad 29 befestigt und wirken einem Schaukelmoment um den mittleren Zylinder des Hubkolbenmotors 11, bei dem die Kurbelwelle 14 verbaut ist, entgegen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kraftfahrzeug
- 11
- Hubkolbenmotor
- 12
- Kolben
- 13
- Pleuel
- 14
- Kurbelwelle
- 15
- Schaft
- 16
- Flansch
- 17
- Riemenscheibe
- 18
- Pleuellager
- 19
- Gegengewicht
- 20
- Lager
- 21
- Ausgleichseinheit
- 22
- Erste Stufe
- 23
- Zweite Stufe
- 24
- Erster Planetenträger
- 25
- Erstes Planetenrad
- 26
- Erstes Hohlrad
- 27
- Zweiter Planetenträger
- 28
- Zweites Planetenrad
- 29
- Zweites Hohlrad
- 30
- Ausgleichsmasse
- 31
- Rotationsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013203560 A1 [0002]
- US 4489683 A [0003]
