DE19710091A1 - Lageranordnung für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Auslenkungen von Antriebsaggregaten in Kraftfahrzeugen stellen über die als Körperschall­ brücke wirkenden Aggregatlager eine der wesentlichen Quellen für Innenraumgeräusche sowie Vibrationen dar. Bei Brennkraftmaschinen mit kleinen Zylinderzahlen können diese Geräusche und Vibrationen erhebliche Ausmaße annehmen, andrerseits sind jedoch solche Brennkraftmaschinen Grundvoraussetzungen für Kraftfahrzeuge mit einem geringen Kraft­ stoffverbrauch.

Der Kraftstoffverbrauch wird darüber hinaus durch möglichst leichtgewichtige Brennkraft­ maschinen mit vergleichsweise kleinem Hubraum begünstigt. Das Gesamthubvolumen einer solchen Brennkraftmaschine läßt sich jedoch regelmäßig nicht in beliebig kleine Zylindervolumina aufteilen, da eine dementsprechend größere Zylinderanzahl die notwen­ dige Reibleistung überproportional erhöht und andererseits zu kleine Zylindervolumina ins­ besondere bei direkt einspritzenden Brennkraftmaschinen die Gemischbildung deutlich ver­ schlechtern.

Aus der DE-Z ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 96, 1994, Nummer 9, Seite 500 ist eine gattungsgemäße Lageranordnung für Hubkolben-Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen mit insgesamt drei Aggregatlagern bekannt. Diese als sogenannte Pendellagerung ausge­ führte Aggregatlagerung weist zwei zwischen der Hubkolben-Brennkraftmaschine und dem Kraftfahrzeugaufbau an geordnete, an gegenüberliegenden Stirnseiten der Brennkraftma­ schine liegende Aggregatlager auf welche nahe einer der Hauptachsen eines brennkraft­ maschinenseitigen Hauptachsen-Koordinatensystemes angeordnet sind. Desweiteren ist ein weiteres, eben falls zwischen Hubkolben-Brennkraftmaschine und Kraftfahrzeugaufbau an geordnetes, als Drehmomentstütze ausgebildetes Aggregatlager vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Lageranordnung für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug derartig auszubilden, daß die von der Brennkraftmaschine auf den Kraftfahrzeugaufbau übertragenen Schwingungen deutlich reduziert sind, wobei insbesondere Hubkolben-Brennkraftmaschinen berücksichtigt werden sollen, die freie Massen- bzw. Wechselmomente aufweisen, jedoch keine freien Massen­ kräfte.

Die Lösung dieser Aufgabe gelenkt mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen benannt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Hauptachse, in deren Nähe die zwei Aggregat­ lager angeordnet sind, eine Hauptträgheitsachse der Hubkolben-Brennkraftmaschine ist, um welche der Hauptteil des freien Massemoments 1. Ordnung wirkt. Desweiteren ist das dritte Aggregatlager in der Nähe einer weiteren Hauptträgheitsachse angeordnet, um welche das aus den Gaskräften der Hubkolben-Brennkraftmaschine resultierende Gas­ moment wirkt.

Die Erfindung findet also Anwendung bei Hubkolben-Brennkraftmaschinen, welche freie Massenmomente bzw. Wechselmomente aufweisen, wie beispielsweise drei- oder fünf­ zylindrige Reihen-Brennkraftmaschinen.

Der Einfachheit halber wird angenommen, daß das Hauptachsen-Koordinatensystem seinen Ursprung im Aggregatschwerpunkt hat.

Insbesondere dreizylindrige Brennkraftmaschinen weisen aufgrund der geringen und unge­ raden Zylinderanzahl ein unkomfortables Laufverhalten auf. Es treten zwar keine freien Massenkräfte auf jedoch freie Massenmomente 1. und 2. Ordnung um die quer zur Längs­ erstreckung der Kurbelwelle verlaufende Querachse und, je nach Ausgleichsgrad der Kur­ belwelle, eventuell auch um die senkrecht dazu verlaufende Hochachse. Desweiteren treten Gas- und Massenmomente 1,5. Ordnung um die Kurbelwellenlängsachse auf Insbeson­ dere bei niedrigen Anregungsordnungen in Verbindung mit Leichtbaumaßnahmen an solchen Brennkraftmaschinen, führt die geringe Trägheitswirkung dieser Maschinen dazu, daß sie erhebliche Schwingungen ausführen. Eingeleitet über elastische Lager können diese Schwingungen zu erheblichen Krafteinwirkungen auf den Aufbau des Kraftfahrzeuges führen, was sich beispielsweise als Lenkradschütteln, Sitzvibrationen oder ungewollten Be­ wegungen der Pedalerie sowie als Innengeräusch unangenehm bemerkbar macht.

Hier greift die Erfindung in vorteilhafter Ausgestaltung dadurch ein, daß die Hebelarme in der als Massenpendelachse wirkenden einen Hauptträgheitsachse klein sind, wodurch die Drehsteifigkeit und damit die Eigenfrequenzen auf das für Hubkolben-Brennkraftmaschinen mit einer derart niedrigen Zylinderanzahl notwendige Niveau gedrückt werden. Zugleich re­ duzieren die kurzen Hebelarme die Krafteinleitung in den Kraftfahrzeugaufbau. Desweiteren sind durch diese Lageranordnung die Anregungen weitgehend entkoppelt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung kann zu einer verbesserten Schwingungsunter­ drückung vorgesehen sein, daß die ersten beiden Aggregatlager in Kolbenlaufrichtung im wesentlichen steif und das dritte Aggregatlager in dieser Richtung weich ausgebildet ist. In Folge dessen sind die Auslenkungen in allen Aggregatlagern in Richtung der beiden ge­ nannten Hauptträgheitsachsen im wesentlichen klein, da die Verdrehwinkel um die senk­ recht dazu verlaufende Hochachse aufgrund geringer Anregungen klein sind. Die Aus­ lenkungen sind in allen Lagern im wesentlichen in Richtung dieser Hochachse ver­ gleichsweise groß.

Aufgrund der vergleichsweise weichen Auslegung des dritten Aggregatlagers in Richtung der Kolbenlaufrichtung sind die hierüber eingeleiteten Kräfte in den Kraftfahrzeugaufbau klein.

Zur weiteren Reduzierung von Schwingungsanregungen kann vorgesehen sein, daß bei den beiden in der Nähe der einen Hauptträgheitsachse liegenden Aggregatlagern das Pro­ dukt aus der Steifigkeit dieser Lager in Kolbenlaufrichtung und dem senkrechten Abstand dieser Lager vom Schwerpunkt der Brennkraftmaschine in etwa gleich groß ist.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläuterten Ausführungsbeispiel.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Draufsicht auf eine Lageranordnung und

Fig. 2 eine Seitenansicht zu Fig. 1.

Ein nicht näher gezeigtes Kraftfahrzeug weist eine von einer drei-zylindrigen Hubkolben- Brennkraftmaschine 1 angetriebene Fahrzeugachse 2 auf. Die Brennkraftmaschine 1 ist quer in das Kraftfahrzeug eingebaut, welches sich im Fahrbetrieb in Fahrtrichtung 3 bewegt. Zwischen Brennkraftmaschine 1 und Achse 2 ist ein Getriebe 4 angeordnet, welches ein­ gangsseitig mit einer nicht gezeigten, um eine Kurbelwellenachse 5 rotierenden Kurbelwelle verbunden ist und abtriebsseitig auf Halbwellen 6, 7 der Achse 2 wirkt, welche wiederum mit angetriebenen Rädern 8 verbunden sind.

Mit x, y und z sind die Achsrichtungen eines fahrzeugfesten Koordinatensystems be­ zeichnet.

Ein brennkraftmaschinenseitiges Hauptachsen-Koordinatensystem ist jeweils mit x′, y′ und z′ bezeichnet und hat zweckmäßiger Weise seinen Ursprung im Schwerpunkt S des aus Brennkraftmaschine 1 und Getriebe 4 gebildeten Antriebsaggregates. Aufgrund der Aggregatneigung und der ungleichmäßigen Massenverteilung, beispielsweise in Folge von nicht gezeigten Nebenaggregaten der Brennkraftmaschine 1 bzw. des Getriebes 4, ist dieses Hauptachsenkoordinatensystem gegenüber dem Kraftfahrzeugkoordinatensystem verschoben.

Eine Lageranordnung zur Abstützung der Brennkraftmaschine 1 im Aufbau des Kraftfahr­ zeuges weist zwei Aggregatlager A, B auf welche in der Nähe von einer der Hauptträg­ heitsachsen x′ des Motor-Koordinatensystemes angeordnet sind. Um diese Achse x′ wirkt der Hauptteil des freien Massenmomentes 1. Ordnung der Hubkolben-Brennkraftmaschine 1.

Dieses Massenmoment wird im wesentlichen bestimmt von den hin und her gehenden Massen der zu einem jeweiligen Zylinder gehörenden Teile, dem einem halben Kolbenhub entsprechenden Kurbelradius, der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwellendrehung sowie dem aktuellen Drehwinkel der Kurbelwellendrehung und dem Zylinderabstand 9 zwischen zwei benachbarten Zylinderachsen 10.

Das in Fahrtrichtung 3 vorne liegend angeordnete Aggregatlager A greift über einen Lager­ träger 11 an einer Längsseite 12 der Brennkraftmaschine 1 benachbart zu einem end­ seitigen Zylinder 13 an. In Fahrtrichtung 3 hinten liegend ist das zweite Aggregatlager B etwa mittig zwischen dem endseitigen Zylinder 13 und einem mittleren Zylinder 14 an einer gegenüberliegenden Längsseite 15 angeordnet.

Der Abstand der Aggregatlager A und B zum Schwerpunkt S in der Hauptachse x′ ist auf ein erforderliches, minimales Maß beschränkt (Abstand a, b).

Auf der bzw. in der Nähe der motorseitigen Hauptträgheitsachse y′ ist endseitig des Ge­ triebes 4 ein weiteres, drittes Aggregatlager C in einem Abstand d angeordnet.

Die beiden erstgenannten Aggregatlager A und B sind in Kolbenlaufrichtung (Zylinder­ achsen 10) der Hubkolben der Brennkraftmaschine 1 im wesentlichen steif ausgebildet, während das weitere Aggregatlager C in dieser Richtung vergleichsweise weich ausgebildet ist. Diese weiche Auslegung kann vergleichsweise einfach durch eine Drehung eines für die Aggregatlagerungen A und B verwendeten Lagers um 90° erzielt werden.

Die Anordnung der Aggregatlager A und B bezüglich des im Ursprung des Motorkoordina­ tensystemes angeordneten Schwerpunktes S ist in etwa so gewählt, daß das jeweilige Produkt aus Abstand a bzw. b zwischen Aggregatlager A bzw. B zum Schweipunkt S und der je weiligen Lagersteifigkeit in etwa für beide Lager gleich ist.

Die nicht gezeigte Kurbelwelle der Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 ist derartig ausge­ bildet, daß sie rotierende Kräfte und Momente vollständig ausgleicht und oszillierende Momente in etwa zu 50% ausgleicht.

Zusätzlich kann eine nicht gezeigte Ausgleichswelle für die oszillierenden Momente vorge­ sehen sein, welche diese bis zu 100% ausgleicht.

Die Aggregatlager A, B, C können jeweils für sich oder in Kombination als Gummi-Metall- Lager; als Hydrolager oder als elektrisch ansteuerbare, adaptive Lager ausgebildet sein.

Die Wirkungen der vorbeschriebenen Lageranordnung im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges sind folgende.

Die Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 weist einen Kurbelversatz von 120° auf daher treten nach außen keine freien Kräfte auf die sich in Folge der Symmetrie aufheben. Die Hebel­ aime der beiden Aggregatlager A, B sind, ausgehend vom Schwerpunkt S, in der als Mas­ senpendelachse wirkenden Hauptträgheitsachse x′ klein, wodurch die Krafteinleitung in den Kraftfahrzeugaufbau vergleichsweise gering ist. Die Auslenkungen aller Aggregatlager A, B, C in Richtung der Hauptträgheitsachsen x′, y′ sind im wesentlichen klein, da die Verdrehwinkel um die Hauptträgheitsachse z′ aufgrund geringer Anregungen klein sind. Die Auslenkungen der Aggregatlager A, B, C sind im wesentlichen in Richtung dieser Hauptträgheitsachse z′ vergleichsweise groß.

Da sowohl das dritte Aggregatlager C in Richtung der Hauptträgheitsachse z′ weich ist und sich auch der auf die Aggregatlager A und B wirkende Verdrehwinkel mit zunehmender Drehzahl deutlich reduziert, sind die von den Aggregatlagern A, B, C in den kraftfahr­ zeugseitigen Aufbau eingeleiteten Kräfte insgesamt äußerst gering, wodurch Vibrationen auslösende Anregungen deutlich reduziert sind.

Claims (8)

1. Lageranordnung für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) in einem Kraftfahrzeug, mit mindestens zwei zwischen Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) und Kraftfahrzeugauf­ bau angeordneten Aggregatlagern (A, B), welche nahe einer Hauptachse eines brenn­ kraftmaschinenseitigen Hauptachsen-Koordinatensystemes (x′, y′, z′) angeordnet sind, und mit mindestens einem weiteren, ebenfalls zwischen Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) und Kraftfahrzeugaufbau angeordneten Aggregatlager; dadurch gekennzeichnet,

• - daß die nahe der einen Hauptachse liegenden Aggregatlager (A, B) in der Nähe einer Hauptträgheitsachse (x′) angeordnet sind, um welche der Hauptteil eines freien Massenmomentes 1. Ordnung der Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) wirkt, und
• - das weitere Aggregatlager (C) in der Nähe einer Hauptträgheitsachse (y′) angeordnet ist, um welche das aus den Gaskräften der Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) resultierende Gasmoment wirkt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten beiden Aggregat­ lager (A, B) in Kolbenlaufrichtung steif und das dritte Aggregatlager (C) in dieser Kolben­ laufrichtung weich ausgebildet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nahe der einen Haupt­ trägheitsachse (x′) liegenden Aggregatlager (A, B) eng benachbart zu dem im Ursprung des Hauptachsen-Koordinatensystemes liegenden Schwerpunkt (S) angeordnet sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus Abstand (a, b) zum Schwerpunkt S und der zugehörigen Steifigkeit für die beiden Aggregatlager (A, B) in etwa identisch ist.

5. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle der Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) rotierende Momente vollständig und oszillierende Momente zwischen 0 und 50% ausgleicht.

6. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) eine Ausgleichswelle für oszillierende Momente aufweist.

7. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) mit ihrer Kurbelwelle quer zur Fahrtrichtung (3) des Kraftfahrzeuges eingebaut ist und das eine Aggregatlager (A) in dieser Fahrtrichtung (3) vor; das andere Aggregatlager (B) hinter der Hubkolben-Brenn­ kraftmaschine (1) angeordnet ist.

8. Verwendung einer Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche in einem Kraftfahrzeug mit einer quer zur Fahrtrichtung (3) eingebauten, drei­ zylindrigen Hubkolben-Brennkraftmaschine (1).