DE102016012593A1 - Device on an internal combustion engine and internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Ausgleichsvorrichtung an einem Verbrennungsmotor umfassend ein Paar Ausgleichsachsen (4, 4'), die zur Gegendrehung zueinander ausgebildet sind, wobei jede Ausgleichsachse (4, 4') vordere und hintere Hauptgewichtseinheiten (5, 5'; 6, 6') zum Massemomentausgleich im Betrieb umfasst, wobei für den Massekraftausgleich im Betrieb Zusatzgewichtselemente (7 und 7') ausgebildet sind. Die Zusatzgewichtselemente (7, 7') sind auf den entsprechenden Antriebsrädern (8, 8') ausgebildet, und die Zusatzgewichtselemente (7, 7') sind spiegelsymmetrisch auf den entsprechenden Antriebsrädern (8, 8') angeordnet. Die Erfindung betrifft ebenfalls einen Verbrennungsmotor und ein Fahrzeug.Balancing device on an internal combustion engine comprising a pair of compensating shafts (4, 4 ') which are designed to counterrotate each other, each compensating axle (4, 4') comprising front and rear main weight units (5, 5 ', 6, 6') for mass balancing during operation includes, wherein for the mass balance in operation additional weight elements (7 and 7 ') are formed. The additional weight elements (7, 7 ') are formed on the corresponding drive wheels (8, 8'), and the additional weight elements (7, 7 ') are arranged mirror-symmetrically on the corresponding drive wheels (8, 8'). The invention also relates to an internal combustion engine and a vehicle.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft eine Ausgleichsvorrichtung an einem Verbrennungsmotor umfassend ein Paar Ausgleichsachsen zur Anordnung mit ihren Drehachsen parallel zu einer Drehachse für eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, wobei die Ausgleichsachsen zur Gegendrehung zueinander ausgebildet sind, wobei jede Ausgleichsachse vordere und hintere Hauptgewichtseinheiten zum Massemomentausgleich im Betrieb umfasst, wobei für den Massekraftausgleich im Betrieb Zusatzgewichtselemente ausgebildet sind, deren jeweilige Schwerpunkte im Abstand zu und auf einer Hilfsebene durch die Drehachse der entsprechenden Ausgleichsachsen angeordnet sind, wobei jede Hilfsebene orthogonal zu einer Ebene ist, die durch die Drehachse der entsprechenden Ausgleichsachse verläuft, und wobei jede Ausgleichsachse mit einem Antriebsrad verbunden ist, das für einen Eingriff mit einer Achse des Verbrennungsmotors ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft ebenfalls einen Verbrennungsmotor umfassend solch eine Ausgleichsvorrichtung sowie ein Fahrzeug.The invention relates to a balancing device on an internal combustion engine comprising a pair of compensation axes for arrangement with their axes of rotation parallel to a rotation axis for a crankshaft of the internal combustion engine, wherein the compensation axes are formed for counter rotation to each other, each compensation axis comprises front and rear main weight units for mass torque compensation in operation for mass equalization in operation additional weight elements are formed, whose respective centers of gravity are spaced apart from and on an auxiliary plane by the axis of rotation of the respective compensating axes, each auxiliary plane being orthogonal to a plane passing through the axis of rotation of the corresponding compensating axis, and each compensating axis is connected to a drive wheel which is designed for engagement with an axis of the internal combustion engine. The invention also relates to an internal combustion engine comprising such a compensation device and a vehicle.
Technischer Hintergrund der ErfindungTechnical background of the invention
Der Stand der Technik kennt das Verwenden von Ausgleichsachsen in Verbrennungsmotoren zum Kompensieren von freien Massekräften oder freien Massemomenten, die im Motor auftreten.The prior art knows the use of balance axes in internal combustion engines to compensate for free mass forces or free mass moments that occur in the engine.
Allgemein ist zu sagen, dass die Massekräfte auf den Trägheitskräften beruhen, die aufgrund der Drehung der Kurbelwelle und der Vor- und Rückwärtsbewegungen der Kolben entstehen, unter denen ein freies Massemoment aufgrund der Asymmetrie der Kurbelwelle um eine virtuelle Achse entsteht, die senkrecht zu einer Drehachse der Kurbelwelle ist.Generally speaking, the inertia forces are due to the inertial forces that arise due to the rotation of the crankshaft and the forward and backward movements of the pistons, under which a free mass moment arises due to the asymmetry of the crankshaft about a virtual axis perpendicular to an axis of rotation the crankshaft is.
Unter Massekräften und Massemomenten erster Ordnung sind Kräfte bzw. Momente zu verstehen, die mit der gleichen Frequenz wie die Motordrehzahl auftreten. Unter Kräften und Momenten zweiter Ordnung sind Kräfte bzw. Momente zu verstehen, die mit einer Frequenz entstehen, die der doppelten Motordrehzahl entsprechen.By mass forces and mass moments of the first order, forces or moments are to be understood which occur with the same frequency as the engine speed. Forces and moments of second order are to be understood as forces or moments which occur at a frequency which corresponds to twice the engine speed.
Bei Fünfzylindermotoren nach dem Stand der Technik haben kompensierende Ausgleichsmaßnahmen, die getroffen wurden, nicht alle Schwingungen kompensiert, die als störend empfunden wurden.In prior art five-cylinder engines, compensatory compensatory measures that have been taken have not compensated for all vibrations that were found annoying.
Ausgleichsvorrichtungen nach dem Stand der Technik wiesen darüber hinaus in Bezug auf die Herstellfreundlichkeit Einschränkungen auf.Compensating devices of the prior art also had limitations in terms of ease of manufacture.
Als Beispiele für den technischen Hintergrund können
Aufgaben und Hauptmerkmale der ErfindungObjects and main features of the invention
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht im Bereitstellen einer Vorrichtung der in der Einleitung beschriebenen Art, die wenigstens das Problem des Standes der Technik mindert.An object of the present invention is to provide a device of the kind described in the introduction which at least alleviates the problem of the prior art.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung wie zuvor beschrieben erfüllt, indem die Zusatzgewichtselemente an den entsprechenden Antriebsrädern ausgebildet sind und die Zusatzgewichtselemente spiegelsymmetrisch an den entsprechenden Antriebsrädern angeordnet sind.This object is achieved according to the invention by a device as described above, by the additional weight elements are formed on the corresponding drive wheels and the additional weight elements are arranged mirror-symmetrically to the corresponding drive wheels.
Dadurch, dass die Antriebsräder in Bezug auf das Ausgleichen spiegelsymmetrisch angeordnet sind, sind diese auf einer Symmetrieebene spiegelbildlich zueinander, die parallel zu Drehachsen der Ausgleichsachsen ist, in der Mitte zwischen den Ausgleichsachsen verläuft und orthogonal zu einer Ebene umfassend beide Drehachsen der Ausgleichsachsen ist. Es ist nachvollziehbar, dass Zusatzgewichtselemente auf zwei Weisen gemäß der vorhergehenden Definition angeordnet werden können, nämlich von der Drehachse der entsprechenden Ausgleichsachse aus gesehen zueinander zeigend oder voneinander weg zeigend, wenn die hinteren Hauptgewichtseinheiten nach oben zeigen. Bei den vorzuziehenden Zündreihenfolgen, die aus dem am Ende der vorliegenden Beschreibung dargestellten Beispiel hervorgehen, zeigen die Zusatzgewichtselemente zueinander, wenn die hinteren Hauptgewichtseinheiten nach oben zeigen.Characterized in that the drive wheels are arranged in mirror symmetry with respect to the balancing, they are mirror images of each other on a plane of symmetry, which is parallel to axes of rotation of the compensation axes, in the middle between the compensation axes and orthogonal to a plane comprising both axes of rotation of the compensation axes. It will be understood that additional weight elements may be arranged in two ways according to the previous definition, namely pointing or pointing away from each other when viewed from the axis of rotation of the corresponding compensating axis when the rear main weight units are pointing upwards. In the preferred firing orders that emerge from the example shown at the end of the present description, the additional weight elements are facing each other when the rear main weight units are facing upward.
Durch die Erfindung können sowohl freie Massekräfte als auch freie Massemomente zweiter Ordnung wirksam kompensiert werden. Das Anordnen der Zusatzgewichte an den Antriebsrädern hat sich als vorteilhaft erwiesen, da die Herstellung des Ausgleichsachsenpaars vereinfacht wird, indem die Ausgleichsachsen selbst nur mit den vorderen und hinteren Hauptgewichtseinheiten ausgestattet bereitgestellt werden müssen. Dies ermöglicht das Bereitstellen von Ausgleichsachsen als Teile eines modularen, einheitlichen Systems. Die Antriebsräder werden in geeigneter Weise separat mit ihren entsprechenden Zusatzgewichtselementen hergestellt und können an die Ausgleichsachsen durch normale Achskupplungen angeschlossen werden.By the invention, both free mass forces and free second-order moments can be effectively compensated. The arrangement of the additional weights on the drive wheels has proved to be advantageous, since the production of the Ausgleichsachsenpaars is simplified by the compensation axes themselves must be provided equipped only with the front and rear main weight units. This allows the provision of balance axes as parts of a modular, unified system. The drive wheels are suitably manufactured separately with their respective additional weight elements and can be connected to the compensating shafts through normal axle couplings.
Die Ausgleichsachsen in einem Paar können vorzugsweise identisch ausgebildet sein, was den Bedarf von einmaligen Komponenten verringert und die Herstellung kostengünstiger gestaltet. Es kann ebenfalls die Gefahr einer Fehlmontage verringert werden.Preferably, the balance axes in a pair may be identical, reducing the need for unique components and making manufacturing more cost effective. It can also reduce the risk of incorrect assembly.
Vorzugsweise sind ebenfalls die Antriebsräder identisch ausgebildet, was entsprechende Vorteile bietet. Die Antriebsräder werden anschließend spiegelsymmetrisch gesehen auf der Symmetrieebene angeordnet. Identisch ausgebildete Antriebsräder können verwendet werden, wenn die Antriebsräder Teil eines Zahnradantriebs mit gerader Verzahnung sind oder mit Ketten oder Zahnriemen angetrieben werden. Bei einem Antrieb mit Schrägverzahnung müssen verschiedene Antriebsräder in einem Paar eingesetzt werden. Preferably, the drive wheels are also identical, which offers corresponding advantages. The drive wheels are then arranged mirror-symmetrically seen on the plane of symmetry. Identically formed drive wheels can be used when the drive wheels are part of a gear drive with a straight toothing or are driven by chains or toothed belt. In a helical gear drive, different drive wheels must be used in a pair.
Durch die Anordnung der Antriebsräder anschließend an ein Ende der entsprechenden Ausgleichsachse wird eine gute Zugänglichkeit für Service und Inspektion erzielt und es bieten sich gute Möglichkeiten zur geeigneten Anordnung, um entstehende Motorschwingungen umfassend zu verringern.The arrangement of the drive wheels subsequent to one end of the corresponding balance axis good accessibility for service and inspection is achieved and there are good opportunities for the appropriate arrangement to reduce the resulting engine vibrations comprehensively.
Zum Kompensieren von Massemomenten und Massekräften zweiter Ordnung müssen die Drehzahlen der Ausgleichsachsen doppelt so hoch sind wie die Drehzahl der Kurbelwelle.To compensate for mass moments and second-order mass forces, the speeds of the compensating shafts must be twice as high as the speed of the crankshaft.
Die Zusatzgewichtselemente können in einer geeigneten Weise als Zusatzeinheiten an den entsprechenden Antriebsrädern angeordnet sein. Sie können dabei an den Antriebsrädern in einer geeigneten Weise wie durch Verschrauben, Schweißen usw. befestigt sein.The additional weight elements can be arranged in a suitable manner as additional units on the corresponding drive wheels. They may be attached to the drive wheels in a suitable manner such as by bolting, welding, etc.
Vorzugsweise sind jedoch die Zusatzgewichtselemente als in die entsprechenden Antriebsräder integrierte Einheiten angeordnet. Dies vereinfacht die Herstellung, die auf der Herstellung der Antriebsräder entweder mit Zusatzgewichten an bestimmten Stellen mit Abstand zur entsprechenden Drehachse oder Fertigung der Antriebsräder mit entsprechenden Aussparungen/Gewichtsentlastungen an bestimmten Stellen beruhen kann. Im letzteren Fall ist jedes Zusatzgewichtselement als ein Teil eines Antriebsrads ausgebildet, der diametral gegenüber einer Aussparung/Gewichtsentlastung im Antriebsrad angeordnet ist.Preferably, however, the additional weight elements are arranged as integrated units in the corresponding drive wheels. This simplifies the production, which can be based on the production of the drive wheels either with additional weights at certain points with distance from the corresponding axis of rotation or production of the drive wheels with corresponding recesses / weight reliefs at certain points. In the latter case, each additional weight element is formed as a part of a drive wheel, which is arranged diametrically opposite a recess / weight relief in the drive wheel.
Die Erfindung betrifft ebenfalls einen Verbrennungsmotor mit einer Kurbelwelle und einer Vielzahl von Zylindern, wobei der Motor so ausgebildet ist, das er Massemomente erster Ordnung kompensiert.The invention also relates to an internal combustion engine having a crankshaft and a plurality of cylinders, the engine being designed to compensate for first order mass moments.
Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor zeichnet sich dadurch aus, dass er eine Ausgleichsvorrichtung wie zuvor beschrieben umfasst, um freien Massekräften und freien Massemomenten zweiter Ordnung entgegen zu wirken.The internal combustion engine according to the invention is characterized in that it comprises a compensating device as described above, in order to counteract free mass forces and free second order mass moments.
Dieser Verbrennungsmotor ist insbesondere ein Fünfzylindermotor mit ungleichmäßig verteilten Kurbelzapfen.This internal combustion engine is in particular a five-cylinder engine with unevenly distributed crankpins.
Vorzugsweise weisen die Ausgleichsachsen eine Länge auf, welche die Länge der Kurbelwelle überschreitet, und sind die Antriebsräder in einem axialen Abstand zu den Enden der Kurbelwelle angeordnet. Dies bietet eine erhebliche Flexibilität für die Anordnung der Ausgleichsvorrichtung in einer axialen Richtung des Motors, so dass die Antriebsräder mit den Zusatzgewichtseinheiten in dieser Richtung angeordnet werden können, um die Ausgleichswirkung zu optimieren.Preferably, the compensating shafts have a length which exceeds the length of the crankshaft, and the drive wheels are arranged at an axial distance to the ends of the crankshaft. This offers considerable flexibility for the arrangement of the balancing device in an axial direction of the engine, so that the drive wheels can be arranged with the additional weight units in this direction in order to optimize the compensation effect.
Die Anordnung der Zusatzgewichte kann zu einem nickenden Moment am Motor durch die entstehenden Massekräfte zweiter Ordnung führen, wenn die ausgleichenden Zusatzgewichtseinheiten falsch angeordnet werden.The arrangement of the additional weights may result in a nodding moment on the engine by the resulting second-order mass forces if the balancing additional weight units are misaligned.
Insbesondere sind die Antriebsräder vorzugsweise unter einem Mittenbereich der Kurbelwelle und axial so nahe wie möglich an einer vertikalen Linie durch den Schwerpunkt des Motors angeordnet.In particular, the drive wheels are preferably located below a central region of the crankshaft and axially as close as possible to a vertical line through the center of gravity of the engine.
Vorzugsweise sind die Antriebsräder Zahnräder, die mit einem in einem Mittenbereich der Kurbelwelle angeordneten Zahnkranz im Eingriff stehen.Preferably, the drive wheels are gears that mesh with a ring gear disposed in a central region of the crankshaft.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein mit einem Verbrennungsmotor wie zuvor beschrieben ausgestattetes Fahrzeug.The invention also relates to a vehicle equipped with an internal combustion engine as described above.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die Erfindung ist nachfolgend ausführlicher anhand von Ausführungsbeispielen und in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.The invention is described in more detail below with reference to embodiments and with reference to the accompanying drawings.
Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments
Der Verbrennungsmotor
Der Verbrennungsmotor
Die Ausgleichsachsen
Die Antriebsräder tragen somit Zusatzgewichtsorgane zur Kompensierung von Massekräften zweiter Ordnung. Aufgrund ihrer Konstruktion können die Antriebsräder mit den Zusatzgewichtselementen so angeordnet werden, dass sich ihr gemeinsamer Schwerpunkt im Wesentlichen unter dem Schwerpunkt des Motors TP befindet, was dazu führt, dass nickende, pulsierende Momente wie zuvor beschrieben vermieden werden können.The drive wheels thus carry additional weight organs to compensate for second-order mass forces. By virtue of their construction, the drive wheels with the additional weight elements can be arranged so that their common center of gravity is substantially below the center of gravity of the engine TP, with the result that nodding, pulsating moments as described above can be avoided.
Auf der ersten Ausgleichsachse
Gemäß der Erfindung ist sichergestellt, dass die vordere und hintere Hauptgewichtseinheit der Ausgleichsachsen freie Massemomente zweiter Ordnung kompensieren.According to the invention, it is ensured that the front and rear main weight units of the compensating axles compensate for second-order mass moments.
Zu diesem Zweck sind jede vordere Hauptgewichtseinheit
Durch die Gegendrehung der Ausgleichswellen, die deren Hauptgewichtseinheiten tragen, entstehen somit kompensierende Gegenmomente bei der Drehung der Ausgleichsachsen mit der doppelten Drehzahl wie die Kurbelwelle.Due to the reverse rotation of the balance shafts, which carry their main weight units, thus creating compensating counter-moments in the rotation of the compensation axes at twice the speed as the crankshaft.
Gemäß der Erfindung werden ebenfalls im Motor auftretende freie Massekräfte zweiter Ordnung. Diese Kompensierung, die in
Die Zusatzgewichtselemente können auf zwei Weisen gemäß der vorhergehenden Definition angeordnet sein. Bei den vorgezogenen Zündreihenfolgen, die nachfolgend hervorgehen, zeigen die Zusatzgewichtselemente somit zueinander, wenn die hinteren Hauptgewichtseinheiten nach oben zeigen.The additional weight elements may be arranged in two ways according to the above definition. In the preferred firing orders, which will follow, the additional weight elements thus show each other when the rear main weight units point upwards.
Die Ausgleichsachsen
Bei der Ausführungsform der Erfindung wie in
Die Erfindung kann im Rahmen der nachfolgenden Patentansprüche modifiziert werden, und die Anordnung, wie die Hauptgewichtseinheiten und Zusatzgewichtseinheiten bzw. Zusatzgewichtselemente auf den Ausgleichsachsen bzw. Antriebsrädern anzuordnen und zu verteilen sind, kann unter anderem aufgrund von bestehenden Maßen von dem abweichen, was in den Figuren dargestellt ist und zuvor beschrieben ist.The invention may be modified within the scope of the appended claims, and the arrangement of how to arrange and distribute the main weight units and additional weight units on the compensating shafts and drive wheels may differ from what is shown in FIGS is shown and described above.
Die Berechnung der Größe der Hauptgewichtseinheiten und Zusatzgewichtselemente kann unter Berücksichtigung der Größe der freien Massemomente und freien Massekräfte zweiter Ordnung gemäß Formeln, die einem Fachmann gekannt sind, ausgehend von den vorliegenden Motormaßen erfolgen.The calculation of the size of the main weight units and additional weight elements may be made taking into consideration the size of the free mass moments and second order free mass forces according to formulas known to a person skilled in the art based on the present engine dimensions.
Beispiel:Example:
Ein Fünfzylinder-Verbrennungsmotor mit einer Kurbelwelle, die für eine ungerade Zündreihenfolge ausgebildet ist, weist folgende Zündwinkel auf:
Dies muss mit einem Fünfzylindermotor mit gerader Zündreihenfolge und folgenden Zündwinkeln verglichen werden:
Der Motor mit ungerader Zündreihenfolge ist somit (siehe oben) durch seinen Aufbau ausgeglichen, um freien Massekräften der ersten Ordnung und freien Massemomenten erster Ordnung entgegen zu wirken. Zum Kompensieren von freien Massekräften zweiter Ordnung und freien Massemomenten zweiter Ordnung wird eine Ausgleichsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, wobei beim oberen Totpunkt des Zylinders 1 die entsprechenden Ausgleichswellen so angeordnet sind, dass die Ebene durch die Schwerpunkte der Hauptgewichtseinheiten +35,104° bzw. –35,104° mit einer Symmetrieebene durch die Zylinder des Motors bildet. Die Ausgleichswellen mit ihren entsprechenden Antriebsrädern sind untereinander spiegelsymmetrisch ausgebildet und sind zur Gegendrehung mit der doppelten Drehzahl wie die Kurbelwelle ausgebildet.The engine with odd firing order is thus balanced (see above) by its design to counteract first order free mass forces and first order free mass moments. To compensate for second order free mass forces and second order free mass moments, a balancing device according to the present invention is used, wherein at top dead center of the
Bei richtiger Dimensionierung kompensiert diese Anordnung wirksam freie Massekräfte zweiter Ordnung und freie Massemomente zweiter Ordnung.With proper sizing, this arrangement effectively compensates for second order free mass forces and second order free mass moments.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- US 2004/0045520 [0007] US 2004/0045520 [0007]
- EP 0501096 [0007] EP 0501096 [0007]
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