DE19540765A1 - Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Drehschwingungsausgleich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Drehschwingungsausgleich gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei Hubkolben-Brennkraftmaschinen mit bestimmter Zylinderanordnung, so zum Beispiel bei 3-zylindrigen oder 5-zylindrigen Reihenbrennkraftmaschinen, treten im wesentlichen aus Gaskräften resultierende Drehschwingungen mit einer Drehungleichförmigkeit in der 1.5, 3, 4.5 . . . Ordnung um die Kurbelwellenlängsachse auf. Diese regen die Brennkraftmaschine insbesondere im Leerlauf oder im leerlaufnahen Drehzahlbereich zu ausgeprägten Vibratio­ nen an, welche über die Lager der Brennkraftmaschine in das Brennkraftmaschinengestell übertragen werden.

Bei in Kraftfahrzeugen verbauten Brennkraftmaschinen dieser Art, insbesondere bei Diesel­ brennkraftmaschinen, sind solche Vibrationen auf Komfortgründen aus ein Minimum zu reduzieren.

Aus der DE-41 19 065 A1 ist eine gattungsgemäße Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Drehschwingungsausgleich bekannt, welche zur Kompensation der Wechselmomente eine Ausgleichswelle mit einem Trägheitsmoment aufweist, das etwa halb so groß ist wie das Trägheitsmoment der kurbelwellenseitigen Schwungmassen.

In der US-PS 4,300,649 ist ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und einem Getriebe offenbart, wobei diese jeweils als separate Einheiten unabhängig voneinander in Lagern gehalten sind und über zumindest ein Kardangelenk in Antriebsverbindung stehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Dreh­ schwingungsausgleich zu schaffen, welche die hauptsächlich aus Gaskräften entstehenden Drehschwingungen in der 1.5, 3, 4.5 usw. Ordnung um die Kurbelwellendrehachse weit­ gehend eliminiert.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen benannt.

Die Erfindung nutzt das an sich bekannte Verhalten eines Kreuzgelenkes aus. Üblicher­ weise wird die an der Antriebsseite eines Kreuzgelenkes vorliegende, gleichförmige Winkel­ geschwindigkeit in eine mit der doppelten Winkelgeschwindigkeit pulsierende, zweite Winkelgeschwindigkeit des Abtriebes umgewandelt, wobei diese zweite Winkelgeschwin­ digkeit im wesentlichen von dem Beugewinkel des Kreuzgelenkes abhängt. Der Ungleich­ förmigkeitsgrad eines Kreuzgelenkes ergibt sich aus dem Produkt von Tangens und Sinus des Beugewinkels.

Hiersetzt die Erfindung ein, in dem sie die übliche Anwendung dahingehend umkehrt, das die Anregung des Kreuzgelenkes ungleichförmig durch die Brennkraftmaschine erfolgt und das Übertragungsverhalten des Kreuzgelenkes dazu benutzt wird, auf dessen Abtriebsseite eine gleichförmige Drehbewegung zu erzielen. Dieses gelingt durch eine zweistückig geteilt ausgeführte Ausgleichswelle, deren mittels einer Getriebestufe von der Kurbelwelle an ge­ triebenes Antriebsteil über das Kreuzgelenk unter einem Beugewinkel mit dem zweiten, eine Ausgleichsmasse tragenden Abtriebsteil des Kreuzgelenkes verbunden ist. Die Getriebestufe transformiert dabei die Schwingungsordnung der Brennkraftmaschine auf das Niveau der durch den Ungleichförmigkeitsgrad des Kreuzgelenkes von diesem erzeugten Schwingungsordnung.

Das Kreuzgelenk erzeugt eine Gegenschwingung in der zweiten Ordnung, so daß bei­ spielsweise die bei einem 3-Zylinder-Reihenmotor erzeugten Schwingungen der 1,5 Ord­ nung durch ein Übersetzungsverhältnis von 1 zu 0,75 getilgt werden kann.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann die auf dem Abtriebsteil der Ausgleichs­ welle angeordnete Ausgleichsmasse durch das Schwungrad der Brennkraftmaschine gebil­ det sein. An diesem kann sich unmittelbar eine zwischen der Brennkraftmaschine und einem nachgeschalteten Getriebe angeordnete Trennkupplung anschließen.

Es ist ebenfalls möglich, den Drehschwingungsausgleich als separate Einheit auf der dem Getriebe ab gewandten Seite der Brennkraftmaschine anzuordnen.

Insbesondere bei Dieselbrennkraftmaschinen läßt sich ein einmal optimal eingestellter Beugewinkel finden, der unverändert beibehalten werden kann, da die Anregung hier aus weitgehend lastunabhängigen Gaskräften resultiert.

Für eine verfeinerte Abstimmung oder andere Brennkraftmaschinentypen kann eine Last­ abhängigkeit durch eine Regelung derart berücksichtigt werden, daß die Aggregatschwin­ gungen gemessen und einer Verstelleinrichtung zugeführt werden, welche mittels eines Regelkreises den Beugewinkel auf ein Schwingungsminimum für die Brennkraftmaschine einstellt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung mit zwischen Brennkraftmaschine und einem Getriebe angeordneter Ausgleichswelle und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit einer separat angeordneten Einrichtung zum Drehschwingungsausgleich.

Eine insgesamt mit 1 bezeichnete 3-zylindrige Reihenbrennkraftmaschine weist auf einem Ende ihrer Kurbelwelle 2 ein Zahnrad 3 einer Getriebestufe 4 auf welche einen Antriebsteil 5 einer zweistückig geteilt ausgeführten Ausgleichswelle 6 antreibt.

Das Antriebsteil 5 ist mittels eines Kreuzgelenkes 7 mit dem eine Ausgleichsmasse 8 tra­ genden Abtriebsteil 9 der Ausgleichswelle 6 verbunden, wobei das Kreuzgelenk 7 einen Beugewinkel α aufweist.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Ausgleichswelle 6 zwischen Brennkraftmaschine 1 und einem nachgeschalteten, insgesamt mit 10 bezeichneten Getrie­ be angeordnet. Die Ausgleichsmasse 8 ist durch das Schwungrad 11 der Brennkraft­ maschine gebildet, welches einer schaltbaren Kupplung 12 zugeordnet ist.

In einer zweiten Ausführungsform ist die Getriebestufe 4 auf der dem Getriebe 10 gegen­ überliegenden Seite der Brennkraftmaschine 1 angeordnet. Das die Ausgleichsmasse 8 tragender Abtriebsteil 9 ist dabei in einem Gehäuse 13 gelagert.

Sowohl Brennkraftmaschine 1 wie auch Getriebe 10 sind in Aggregatelagern 14 gehalten.

Die Funktionsweise des Drehschwingungsausgleiches ist folgende.

Die ungleichförmige Drehanregung von der Brennkraftmaschine 1 wird mittels Kurbelwelle 2 und Getriebestufe 4 als ungleichförmige Winkelgeschwindigkeit W1 auf das Antriebsteil 5 übertragen. Das Kreuzgelenk 7 formt diese Winkelgeschwindigkeit W1 in eine mit der dop­ pelten Winkelgeschwindigkeit pulsierende Ausgangswinkelgeschwindigkeit W2 um. Diese zweite Winkelgeschwindigkeit W2 ist von dem Beugewinkel α sowie dem aktuellen Dreh­ winkel des Antriebsteiles 5 abhängig. Der Ungleichförmigkeitsgrad U des Kreuzgelenkes 7 ergibt sich aus dem Produkt von Tangens α und Sinus α. Das Kreuzgelenk 7 erzeugt eine Gegenschwingung in der zweiten Ordnung, bei der 3-zylindrigen Hubkolben-Brennkraft­ maschine 1 soll jedoch die mit der größten störenden Amplitude auftretende Schwingung der 1,5 Ordnung getilgt werden. Hier greift die Getriebestufe 4 mit einem Übersetzungs­ verhältnis von 1 zu 0,75 ein, die die Schwingung der 1,5 Ordnung in eine der zweiten Ord­ nung transformiert.

Mittels Optimierung kann dabei der Beugewinkel α sowie die Lage der Kreuzgelenkachse 15 so ausgelegt werden, daß auf der Abtriebsseite des Kreuzgelenkes 7 eine nahezu gleichförmige Drehbewegung vorliegt.

Wie bereits ausgeführt, kann der Beugewinkel α zur verbesserten Kompensation der Dreh­ schwingungen veränderbar ausgeführt werden. Zu diesem Zweck ist gemäß Fig. 2 das Gehäuse 13 um die Kreuzgelenkachse 15 schwenkbar gehalten. Eine an der Brennkraft­ maschine 1 angeordnete Verstellvorrichtung 16 weist ein Meßglied für in der Brennkraft­ maschine erzeugte Drehschwingungen und ein nachgeschaltetes Winkelstellglied auf welches über eine Verbindungsstange 17 am Gehäuse 13 angreift.

Die Veränderung des Beugewinkels α ist ebenfalls bei der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 anwendbar. Die dort gezeigte Antriebseinheit, gebildet aus Brennkraftmaschine 1 und Getriebe 10, treibt mittels Abtriebswellen 18 Räder 19 eines nicht gezeigten Kraftfahr­ zeuges. Die Verstellvorrichtung 16 ist hierbei kraftfahrzeugseitig gelagert und verschwenkt mittels einer Verbindungsstange die Brennkraftmaschine 1 um die Kreuzgelenkachse 15.

Claims (8)

1. Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer Ausgleichswelle zum Drehschwingungs­ ausgleich, wobei die Ausgleichswelle an ihrem Antriebsende über mindestens eine Getriebestufe mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichswelle (6) zweistückig geteilt ausgeführt ist, wobei ein Antriebsteil (5) das Antriebsende trägt und mittels eines Kreuzgelenkes (7) unter dessen Beugewinkel (α) mit dem eine Ausgleichsmasse (8) tragenden Abtriebs­ teil (9) verbunden ist, wobei die Getriebestufe (4) ein derartiges Übersetzungsverhältnis aufweist, daß die von der Kurbelwelle (2) auf das Antriebsteil (5) übertragene, un­ gleichförmige Drehanregung mittels des Ungleichförmigkeitsgrades (U) des Kreuz­ gelenkes (7) als gleichförmige Drehbewegung des Abtriebsteiles (9) vorliegt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Über­ setzungsverhältnis einen Wert kleiner als eins und größer als 0,5 aufweist, vorzugs­ weise 0,75.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichs­ masse (8) durch das Schwungrad (11) der Brennkraftmaschine (1) gebildet ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch (3), dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichs­ welle (6) zwischen Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) und einem dieser nachgeschal­ teten Getriebe (10) angeordnet ist und das Schwungrad (11) abtriebsseitig eine Schalt­ kupplung (12) antreibt.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Hubkolben- Brennkraftmaschine (1) auf ihrer dem Antriebsende gegenüberliegende Seite fest mit einem nachgeschalteten Getriebe (10) verbunden ist und das Abtriebsteil (9) frei von dem Kreuzgelenk (7) abragt.

6. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Beugewinkel (α) mittels einer Verstellvorrichtung (16), enthaltend ein Meßglied für in der Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) erzeugte Drehschwingungen und ein nach­ geschaltetes Winkelstellglied, im Betrieb der Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) einstellbar ist.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubkolben- Brennkraftmaschine (1) als Antriebsaggregat eines Kraftfahrzeuges angeordnet und die Verstellvorrichtung (16) aufbauseitig in diesem gehalten ist und diese Verstellvorrich­ tung (16) an der Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) angreifend diese den Beugewinkel (α) einstellend um die Kreuzgelenkachse (15) verschwenkt.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstell­ vorrichtung (16) an der Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist und an einem das Antriebsteil (9) lagernden Gehäuse (13) angreifend den Beugewinkel (α) einstellt.