DE10245529A1

DE10245529A1 - Motor mit Ausgleichsvorrichtung für ein Kippmoment zweiter Ordnung

Info

Publication number: DE10245529A1
Application number: DE10245529A
Authority: DE
Inventors: Michael Albert Garza
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2001-10-01
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2022-10-01
Also published as: US6655340B2; DE10245529B4; US20030062015A1

Abstract

Ein Motor umfasst eine Ausgleichsvorrichtung mit zwei sich in entgegengesetzte Richtungen drehenden Ausgleichswellen, die so konstruiert sind, dass sie in entgegengesetzte Richtungen drehende Unwuchtmomentenpaare schaffen, die sich vereinigen, um ein Kippmoment auf den zugehörigen Motorrahmen zu schaffen, und die ein Kippmoment, welches in den drehenden und sich hin- und herbewegenden Bauteilen des Motors entwickelt wird, ausgleichen. Erste und zweite Ausgleichswellen, die an gegenüberliegenden Seiten des Motorrahmens befestigt sind, werden durch ein Kettenrad und einen Kettenantrieb an dem hinteren Ende des Motors in entgegengesetzter Drehrichtung mit zweifacher Drehzahl der Kurbelwelle angetrieben. Die Ausgleichswellen haben jeweils in Längsrichtung beabstandete, in entgegengesetzte Richtungen weisende Ausgleichsgewichte, die gleiche, in entgegengesetzte Richtungen drehende Unwuchtmomentenpaare entwickeln, welche sich vereinigen, um ein vertikales Kippmoment zu erzeugen, das dem Kippmoment zweiter Ordnung des Motors entspricht und diesem entgegenwirkt. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Antrieb Umkehrantriebe, die eine entgegengesetzte Drehung einer der Ausgleichswellen vorsehen. Zusätzliche Merkmale sind eingeschlossen.

Description

Diese Erfindung betrifft Hubkolbenmotoren und insbesondere eine Ausgleichsvorrichtung zum Ausgleichen eines Kippmomentes zweiter Ordnung (second order pitching couple) in einem solchen Motor.
Bei der Konstruktion eines Reihen-Fünfzylinder-Motors wurde erkannt, dass die Anordnung als ein Resultat der Kurbelwellendrehung und der Hin- und Herbewegung der verbundenen sich hin und her bewegenden Massen zu einem vertikalen Kippmoment zweiter Ordnung führte, das auf den Motorrahmen wirkt. Um einen ruhiger laufenden Motor zu schaffen, wurde es als wünschenswert erachtet, eine geeignete Ausgleichsvorrichtung für den Motor zu schaffen, um ein entgegenwirkendes Momentenpaar zu erzeugen, welches das Kippmoment, das durch die arbeitenden Bauteile des Motors entwickelt wird, ausgleichen würde.
Die vorliegende Erfindung kombiniert mit dem Motor eine Ausgleichsvorrichtung mit zwei sich entgegengesetzt drehenden Ausgleichswellen, die entgegengesetzt drehende Unwuchtmomentenpaare (unbalance couple) erzeugen, welche sich vereinigen, um ein vertikales Kippmoment auf den zugehörigen Motorrahmen auszuüben, das dem Kippmoment, welches in den drehenden und sich hin und her bewegenden Bauteilen des Motors entwickelt wird, entgegenwirkt und dieses ausgleicht. Während die Ausgleichsvorrichtung (balancer) für eine spezifische Fünfzylinder- Motoranordnung entwickelt wurde, könnte sie auch in anderen Motoren verwendet werden, in denen ein unausgeglichenes Kippmoment vorhanden ist.
Die Ausgleichsvorrichtung wird von einem Kettenrad angetrieben, das neben dem hinteren Ende der Kurbelwelle des Motors gehalten wird und in eine Kette eingreift, die erste und zweite angetriebene Kettenräder antreibt. Eine erste Ausgleichswelle ist an einer Seite des Motorrahmens befestigt und direkt mit dem ersten Kettenrad verbunden, um die Ausgleichswelle in die Richtung der Kurbelwelle mit der zweifachen Drehzahl der Kurbelwelle zu drehen. Eine zweite Ausgleichswelle ist an einer gegenüberliegenden Seite des Motorrahmens befestigt und durch einen Umkehrantrieb indirekt mit dem zweiten Kettenrad verbunden, um die zweite Ausgleichswelle mit der zweifachen Drehzahl der Kurbelwelle in eine der Richtung der Kurbelwelle entgegengesetzte Richtung zu drehen. Die Ausgleichswellen besitzen jeweils in Längsrichtung beabstandete, in entgegengesetzte Richtungen weisende Ausgleichsgewichte, die gleiche und entgegengesetzt drehende Unwuchtmomentenpaare entwickeln. Diese Momentenpaare vereinigen sich, um ein vertikales Kippmoment zu erzeugen, das gleich dem Kippmoment zweiter Ordnung des Motors ist und diesem entgegenwirkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Umkehrantrieb ein treibendes Zahnrad, das mit dem zweiten Kettenrad drehbar ist und in ein angetriebenes Zahnrad, das an der zweiten Ausgleichswelle gehalten wird, eingreift. Die zwei Zahnräder sorgen für die Umkehrung der Richtung der Ausgleichswelle zu einer Drehung mit der zweifachen Drehzahl der Kurbelwelle, die derjenigen der Kurbelwelle entgegengesetzt ist. Vorzugsweise werden die Zahnräder von einer Befestigungsplatte an festen Mittelpunkten gehalten, und die Befestigungsplatte besteht aus einem Eisenwerkstoff ähnlich wie die Zahnräder, um ein relativ konstantes Flankenspiel der Zahnräder bei variierenden Betriebstemperaturen aufrecht zu erhalten.
Auf Grund des Zahnradantriebs sind die Ausgleichsgewichte der zweiten Ausgleichswelle mit kleineren Durchmessern konstruiert, um ein polares Trägheitsmoment kritischer Masse zu schaffen, das während des Betriebs innerhalb des Bereichs der Motordrehzahlen Drehschwingungen in der Welle und daraus resultierende Fehlbewegungen der Zähne sowie Rattern der Zahnräder vermeidet. Zu diesem Zweck sind die Ausgleichsgewichte dler zweiten Ausgleichswelle länger und mit kleinerem Durchmesser als die Ausgleichsgewichte der ersten Ausgleichswelle hergestellt. Die erste Ausgleichswelle besitzt Gewichte größeren Durchmessers und ist kürzer als die zweite Ausgleichswelle, um den von der ersten Ausgleichswelle beanspruchten Raum zu minimieren.
Der Kettenantrieb umfasst einen Kettenspanner, um die Kettenbewegung während des Betriebes des Motors zu steuern. Die Anordnung ist so ausgestaltet, dass die Kette, die angetriebenen Kettenräder und die Zahnradbauteile an einer Rückwand des Motorrahmens befestigt sind und das Antriebskettenrad an der Kurbelwelle neben einem hinteren Ende der selben gehalten wird.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung bestimmter spezifischer Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich gemacht.
Fig. 1 ist eine bildliche Darstellung des vorderen Endes und der linken Seite einer Fünfzylinder-Reihenmotor-Anordnung mit einer Ausgleichsvorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ist eine bildliche Darstellung der zusammengebauten Bauteile der Ausgleichsvorrichtung, die in ihren Positionen in eingebautem Zustand vom hinteren Ende des Motors von Fig. 1 dargestellt sind; und
Fig. 3 ist eine bildliche Darstellung der Antriebsabschnitte der Ausgleichsvorrichtung von Fig. 2, die in ihrem befestigten Zustand an einer Rückwand oder Trennwand des Motors dargestellt sind.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nun im Detail bezeichnet das Bezugszeichen 10 allgemein einen Fünfzylinder-Reihen- Verbrennungsmotor des Hubkolbentyps, der in Übereinstimmung mit der Erfindung ausgestaltet ist. Der Motor 10 besitzt einen Rahmen 12 mit einem Kurbelwellengehäuse 14, in dem in herkömmlicher Weise eine Kurbelwelle (nicht dargestellt) befestigt ist, und einem Zylinderblock 16, der in seinem Inneren Zylinder (nicht dargestellt) enthält, in welchen Hubkolben auf eine herkömmliche Weise durch Pleuelstangen mit der Kurbelwelle verbunden sind.
Da der Motor ein Reihen-Fünfzylindermotor mit einer Zündfolge und Konfiguration der Kurbelwellenzapfen von 1-5-2-3-4 ist, entwickelt der Motor von sich aus ein unausgeglichenes sekundäres Kippmoment, das in der vertikalen Richtung entlang der Kurbelwellenachse wirkt. Um dieses Momentenpaar für einen ruhiger laufenden Motor zu kompensieren, wird eine Ausgleichsvorrichtung für das Kippmoment zweiter Ordnung geschaffen, allgemein mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet. Abnehmbare Abdeckungen 20, die in Fig. 1 entlang der rechten Seite des Kurbelwellengehäuses des Motors dargestellt sind, sind angeordnet, um einen Zugang zu einem Abschnitt der Ausgleichsvorrichtung des Motors zu schaffen, welche vollständig im Inneren des Motors 10 befestigt und daher in Fig. 1 nicht sichtbar ist.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 der Zeichnungen umfasst die Ausgleichsvorrichtung 18 ein Antriebskettenrad 22, das in zusammengebautem Zustand an der Motor-Kurbelwelle neben einem hinteren Ende der selben befestigt und mit dieser drehbar ist. Das Kettenrad 22 greift in eine Antriebskette 24 ein, die entlang von Führungen 26 und 28 läuft und durch einen Feder-Kettenspanner 30 gespannt wird. Die Kette erstreckt sich seitlich in beide Richtungen von dem Kettenrad 22 aus und greift in ein erstes Abtriebskettenrad 32 und ein zweites Abtriebskettenrad 34 ein.
Das erste Kettenrad 32 ist direkt mit einer ersten Ausgleichswelle 36 verbunden, welche Lagerzapfen 38 umfasst, die in nicht dargestellten Lagern gelagert sind, die an der linken Seitenwand des Motorrahmens 12 befestigt sind. Die Welle 36 umfasst vordere und hintere Ausgleichsgewichte 40, 42, die von der Wellenachse so in entgegengesetzte Richtungen versetzt sind, dass ein Unwuchtmomentenpaar erzeugt wird, das in die Richtung der Kurbelwellendrehung und bei einer Geschwindigkeit dreht, die der zweifachen Geschwindigkeit der Kurbelwelle entspricht, durch Auslegung des Abtriebskettenrades 32 mit dem halben Durchmesser des Antriebskettenrades 22. Die Ausgleichswelle 36 und das verbundene Antriebskettenrad 32 werden an dem hinteren Ende durch eine Halterung 44 getragen, die, wie in Fig. 3 dargestellt ist, in zusammengebautem Zustand an eine Rückwand 46 des Motorrahmens geschraubt ist.
Das zweite Abtriebskettenrad 34 ist mit einem treibenden Zahnrad 48 verbunden, das mit dem zweiten Kettenrad an einer Welle 50 drehbar ist, welche von einer Befestigungshaltung 52 getragen wird. Das treibende Zahnrad 48 greift in ein angetriebenes Zahnrad 54 ein, das ebenfalls von der Haltung 52 mit einem festen Abstand von dem treibenden Zahnrad 48 getragen wird. Das Zahnrad 54 ist direkt mit einer zweiten Ausgleichswelle 56 verbunden, die ebenfalls Lagerzapfen 58 umfasst, die in nicht dargestellten Lagern gelagert sind, die an der rechten Seitenwand des Motorrahmens 12 befestigt sind. Die Welle 56 trägt ebenfalls Ausgleichsgewichte 60, 62, die sich in entgegengesetzte Richtungen von der Ausgleichswellenachse erstrecken und so, wenn sie gedreht werden, ein drehendes Unwuchtmomentenpaar schaffen, das bei einer Drehzahl, die der zweifachen Drehzahl der Kurbelwelle entspricht, in eine der Drehung der Kurbelwelle entgegengesetzte Richtung dreht. Der Phasenabgleich der Ausgleichsgewichte an der Ausgleichswelle 56 ist derart, dass die vertikalen Kräfte einander verstärken (sich addieren) und die Querkräfte einander ausgleichen. Die resultierende Unwuchtkraft ist ein vertikales Schwingmoment, das an den Motorrahmen angreift und zeitlich entgegen dem Schwingmoment, das durch die inneren Motorbauteile erzeugt wird, abgestimmt ist, so dass das unausgeglichene Motormoment durch die Ausgleichsvorrichtung 18 ausgeglichen wird.
Um Variationen in dem Flankenspiel der treibenden und angetriebenen Zahnräder 48, 54 zu minimieren, ist die Haltung 52 aus einem Eisenwerkstoff mit einem ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten wie jenem der Zahnräder hergestellt. Die Achsmittelpunktabstände der Zahnräder werden dadurch über eine Vielfalt von Betriebstemperaturen des Motors im Wesentlichen konstant gehalten.
Aus den Zeichnungen ist ersichtlich, dass die Länge und die Durchmesser der Ausgleichsgewichte an den Wellen 36 und 56 in erheblichem Maße unterschiedlich sind, obwohl die drehenden Unwuchtmomentenpaare, die durch die zwei Wellen erzeugt werden, identisch sind. Die linke Ausgleichswelle 36 ist mit kürzeren Gewichten 40, 42 hergestellt, die größere Durchmesser aufweisen, um die Länge der Ausgleichswelle zu verkürzen, so dass sie kompakter ist und einen kleineren Abschnitt der Seitenwand des Motors für eine effizientere Befestigungsanordnung beansprucht. Auf der anderen Seite ist die rechte Ausgleichswelle 56 länger und mit längeren Ausgleichsgewichten 60, 62, die kleinere Durchmesser aufweisen, hergestellt. Dies geschieht, um das polare Trägheitsmoment der rechten Welle unter ein polares Trägheitsmoment kritischer Masse zu reduzieren, um Fehlbewegungen der Zahnradzähne oder Schwingungen sowie hörbares Rattern der Zahnräder zu vermeiden. So sorgen die Ausdehnung der Länge der Welle sowie Ausgleichsgewichte mit kleinerem Durchmesser und Gewichten für einen leiseren Antrieb der die Drehung umkehrenden Zahnräder und einen insgesamt besseren Betrieb der Ausgleichsvorrichtung.
Obwohl die beschriebene bevorzugte Ausführungsform einen Antrieb mit Kettenrad und Kette sowie einen Umkehrantrieb verwendet, können diese wo immer möglich auch ersatzweise durch zu diesen äquivalente Bauteile ersetzt werden, ohne von den Konzepten der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel könnte ein Riemen die Kette ersetzen und mit Kettenrädern oder Zahnrädern verbunden werden. Andere Ausgestaltungen von Umkehrantrieben können ebenfalls verwendet werden. Daher sind die Begriffe Kette, Kettenrad und Zahnrad, wie sie in den Ansprüchen verwendet werden, als die äquivalenten Riemen-, Kettenrad- und Zahnrad-Vorrichtungen mit umfassend zu verstehen.
Ein Motor umfasst eine Ausgleichsvorrichtung mit zwei sich in entgegengesetzte Richtungen drehenden Ausgleichswellen, die so konstruiert sind, dass sie in entgegengesetzte Richtungen drehende Unwuchtmomentenpaare schaffen, die sich vereinigen, um ein Kippmoment auf den zugehörigen Motorrahmen zu schaffen, und die ein Kippmoment, welches in den drehenden und sich hin und her bewegenden Bauteilen des Motors entwickelt wird, ausgleichen. Erste und zweite Ausgleichswellen, die an gegenüberliegenden Seiten des Motorrahmens befestigt sind, werden durch ein Kettenrad und einen Kettenantrieb an dem hinteren Ende des Motors in entgegengesetzter Drehrichtung mit zweifacher Drehzahl der Kurbelwelle angetrieben. Die Ausgleichswellen haben jeweils in Längsrichtung beabstandete, in entgegengesetzte Richtungen weisende Ausgleichsgewichte, die gleiche, in entgegengesetzte Richtungen drehende Unwuchtmomentenpaare entwickeln, welche sich vereinigen, um ein vertikales Kippmoment zu erzeugen, das dem Kippmoment zweiter Ordnung des Motors entspricht und diesem entgegenwirkt. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Antrieb Umkehrantriebe, die eine entgegengesetzte Drehung einer der Ausgleichswellen vorsehen. Zusätzliche Merkmale sind eingeschlossen.

Claims

1. Motor, umfassend:
einen Rahmen, der eine Kurbelwelle und sich hin- und herbewegende Bauteile in Reihenzylindern befestigt, die zusammen ein Kippmoment zweiter Ordnung erzeugen, das auf den Motorrahmen wirkt; und
eine an dem Motor befestigte Ausgleichsvorrichtung zum Kompensieren der Kippmomente, wenn der Motor in Betrieb ist, wobei die Ausgleichsvorrichtung umfasst:
ein Antriebskettenrad, das von der Kurbelwelle zur Drehung mit der selben gehalten wird;
eine Antriebskette, die in das Antriebskettenrad eingreift;
erste und zweite angetriebene Kettenräder, in welche die Antriebskette eingreift;
eine erste Ausgleichswelle, die an einer Seite des Motorrahmens befestigt ist und zur Winkeldrehung in die Richtung der Kurbelwelle mit der zweifachen Drehzahl der Kurbelwelle direkt mit dem ersten Kettenrad verbunden ist;
eine zweite Ausgleichswelle, die an einer gegenüberliegenden Seite des Motorrahmens befestigt ist und indirekt durch einen Umkehrantrieb zur Winkeldrehung mit der zweifachen Drehzahl der Kurbelwelle in eine der Richtung der Kurbelwelle entgegengesetzte Richtung mit dem zweiten Kettenrad verbunden ist;
wobei die Ausgleichswellen jeweils in Längsrichtung beabstandete, in entgegengesetzte Richtungen weisende Ausgleichsgewichte aufweisen, und die Wellen gleiche Unwuchtmomentenpaare mit entgegengesetzter Phase entwickeln, die sich vereinigen, um ein vertikales Kippmoment zu erzeugen, das gleich dem Kippmoment zweiter Ordnung des Motors ist und dieses kompensiert.

2. Motor nach Anspruch 1, umfassend eine einzelne Zylinderbank mit nur fünf Reihenzylindern, die sich hin und her bewegende Bauteile besitzen.

3. Motor nach Anspruch 1, worin der Umkehrantrieb ein Paar von Zahnrädern umfasst, welches ein treibendes Zahnrad, das mit dem zweiten Kettenrad drehbar ist, und ein angetriebenes Zahnrad umfasst, das an der zweiten Ausgleichswelle gehalten und durch Eingriff mit dem treibenden Zahnrad angetrieben wird.

4. Motor nach Anspruch 1, worin die Zahnräder von einer Befestigungsplatte an festen Mittelpunkten getragen werden und die Befestigungsplatte aus einem Eisenwerkstoff ähnlich jenem der Zahnräder besteht, um ein relativ konstantes Flankenspiel der Zahnräder bei variierenden Betriebstemperaturen aufrecht zu erhalten.

5. Motor nach Anspruch 1, worin die Ausgleichsgewichte der zweiten Ausgleichswelle unter einem polaren Trägheitsmoment kritischer Masse gehalten werden, um während des Betriebes innerhalb des Bereichs von Motordrehzahlen Fehlbewegungen der Zahnradzähne und Rattern der Zahnräder zu vermeiden.

6. Motor nach Anspruch 5, worin die Ausgleichsgewichte der zweiten Ausgleichswelle länger sind und einen kleineren Durchmesser als die Ausgleichsgewichte der ersten Ausgleichswelle aufweisen, um das niedrigere polare Moment der zweiten Ausgleichswelle zu schaffen, wobei die erste Ausgleichswelle Gewichte besitzt, die größere Durchmesser aufweisen, und kürzer ist als die zweite Ausgleichswelle, um den von der ersten Ausgleichswelle beanspruchten Raum zu minimieren.

7. Motor nach Anspruch 1, mit einem Kettenspanner, der mit der Kette in Eingriff steht, um während des Motorbetriebes eine Kettenbewegung zu steuern.

8. . Motor nach Anspruch 1, wobei die Ketten, die angetriebenen Kettenräder und Zahnradbauteile an einer Rückwand des Motorrahmens befestigt sind, und das Antriebskettenrad neben einem hinteren Ende der Kurbelwelle getragen wird.