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Einrichtung zum Ausgleich der Massenkräfte und
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-momente von Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen Die Erfindung bezieht
sich auf eine Einrichtung zum Ausgleich der freien Massenkräfte bzw. -momente von
Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen, insbesondere zum Ausgleich der Massenkräfte und
momente II.
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Ordnung von 4-Zylinder-Reihenmotoren, die mit einem Geschwindigkeitswechselgetriebe
zu einem gemeinsam in einem Fahrzeug gelagerten Antriebsaggregat zusammengefaßt
sind.
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Bekanntlich treten beim Betrieb von Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen
freie Massenkräfte und -momente auf, die besonders durch die hin- und hergehenden
Teile, wie Kolben, Pleuelstange und dergl. verursacht sind und die je nach Art der
Maschine sowie nach Zahl und Anordnung der Kurbelkröpfungen in mehr oder weniger
große Maße unausgeglichen sind und damit das Laufverhalten und die Laufruhe der
Maschine wesentlich beeinflussen.
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Von diesen unausgeglichenen Massenkräften lassen sich diejenigen der
I. und II. Ordnung durch umlaufende Gegengewichte, bzw. Gegengewichtspaare, ausgleichen.
So ist eine als Lanchester-Ausgleich bezeichnete
Einrichtung zum
Ausgleich der Massenkräfte II. Ordnung an Kolbenmaschinen, insbesondere an 4-Zylinder-Viertakt-Reihenmotoren,
bekannt, bei der zwei mit Gegengewichten versehene Nebenwellen in zueinander entgegengesetzter
Richtung mit doppelter Kurbelwellendrehzahl umlaufen. Diese Massenausgleichseinrichtung
erfordert jedoch einen relativ hohen Bauaufwand und eine große Bauhöhe oder Baubreite;
außerdem verursacht sie wegen der hohen Drehzahl der Hilfswellen und der Antriebe
beträchtliche Geräusche. Ein weiterer wesentlicher Nachteil dieser Einrichtung besteht
darin, daß eine derartige Ausgleichseinrichtung von vornherein bei der Konstruktion
der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine berücksichtigt werden muß und daß ein nachträglicher
Einbau an einer vorhandenen Maschine nicht möglich ist.
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Es sind auch schon Ausgleichseinrichtungen vorgeschlagen worden, die
an einer Stirnseite der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine angeordnet sind und die aus
einer mit einer exzentrisch angeordneten Ausgleichsmasse versehenen Antriebsscheibe
oder aber aus einem Planetengetriebe bestehen, bei dem in einem feststehenden innenverzahnten
Sonnenrad ein mit einer exzentrischen Ausgleichsmasse versehenes Planetenrad umläuft,
das seinerseits exzentrisch an einem in einem bestimmten Verhältnis zur Kurbelwellendrehzahl
angetriebenen Treibrad gelagert ist (Patentanmeldungen P 26 49 467.7 und P 26 29
529.4). Mit diesen Einrichtungen lassen sich zwar bei 3- und 5-Zylindermotoren die
dort vorhandenen freien Momente II. Ordnung vollkommen ausgleichen.
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Bei 2- und 4-Zylinder-Reihenmotoren liegen jedoch freie Kräfte II.
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Ordnung vor, die sich mit diesen Einrichtungen nur unvollständig ausgleichen
lassen, beispielsweise in der Weise, daß ein Teil der freien Kraft II. Ordnung und
das gesamte freie Moment, das sich in Bezug auf den Schwerpunkt des aus dem Motor
und dem anhängenden Getriebe bestehenden Aggregates ergibt. Dadurch läßt sich zwar
eine Verminderung der durch die Kräfte und Momente bedingten Schwingungsausschläge
an der Motorstirnseite erreichen; gleichzeitig tritt jedoch eine Erhöhung der Schwingungsausschläge
an der getriebeseitigen Stirnseite des Aggregates auf.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher
darin, die in diesen älteren Patentanmeldungen vorgeschlagenen Massenausgleichseinrichtungen
weiterzubilden, um dadurch vor allem auch für die heute üblichste Motorenart, nämlich
für einen 4-Zylinder-Viertakt-Reihenmotor eine wesentliche Reduzierung der Schwingungsausschläge
ohne wesentliche Vergrößerung des Bauaufwandes zu erreichen. Auch soll ein nachträglicher
Einbau der Ausgleichseinrichtung in bereits vorhandene Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen
möglich sein.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen,
daß an beiden Stirnseiten der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine Vorrichtungen angeordnet
sind, die in einer zur Kurbelwellenachse senkrechten Ebene umlaufende Ausgleichskräfte
erzeugen und die mit einer der auszugleichenden Massenkraftordnung entsprechenden
Übersetzung gegenüber der Kurbelwelle antreibbar sind. Durch diese Vorrichtungen,
die, wie bei den älteren Anmeldungen, aus mit exzentrisch angeordneten Ausgleichsmassen
versehenen Antriebsscheiben oder aber aus einem Planetengetriebe mit einem mit einer
exzentrischen Ausgleichsmasse versehenen Planetenrad bestehen können, kann nun eine
weitere Verminderung der freien Massenkräfte und ein vollständiger Ausgleich der
freien Massenmomente II. Ordnung erreicht werden Durch eine geeignete Variation
der Ausgleichsmassen, die durchaus eine unterschiedliche Größe aufweisen können,
lassen sich die Schwingungsausschläge an der Motorstirnseite bzw. an dem Getriebeende
des aus Motor und Getriebe bestehenden Aggregates beliebig und auf zulässige Werte
einstellen. Da diese Ausgleichsvorrichtungen jeweils nur an den Stirnseiten des
Motors angebracht werden, wobei der Antrieb über Zahnriemen, Ketten oder Zahnräder
von der Kurbelwelle, der Nockenwelle oder auch von einem Zahnkranz am Schwungrad
erfolgen kann, lassen sich diese Einrichtungen auch an bereits bestehenden Motoren
ohne eine wesentliche Veränderung der sonstigen Bauabmessungen unterbringen. Jedenfalls
ist keine vollständige Umkonstruktion eines Motors notwendig, wenn an einen
wenigstens
teilweisen Ausgleich der freien Massenkräfte und -momente einer solchen Hubkolben-Kurbelwellenmaschine
gedacht ist.
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Je nach Drehrichtung der Ausgleichsmassen lassen sich neben den in
Zylinderlängsrichtung auftretenden Massenkräfte auch die auf die Zylindergleitbahn
einwirkenden Querkräfte ausgleichen, die ebenfalls pulsierende, freie Kräfte in
den Aggregate-Lagern erzeugen. Solche Gleitbahn-Kräfte ergeben sich als Querkomponenten
der an den Pleueln wirkenden Massen- und Gaskräfte infolge der während der Kurbelwellendrehung
erfolgenden Schwenkbewegung der Pleuel. So lassen sich die Gleitbahn-Massenkräfte
durch Antrieb der Ausgleichsmasse in der gleichen Drehrichtung wie die Kurbelwelle
und die Gleitbahn-Gaskräfte durch Antrieb der Ausgleichsmasse in der entgegengesetzten
Drehrichtung zumindest teilweise ausgleichen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und sollen im folgenden näher erläutert werden. Dabei zeigt in schematischer Darstellungsweise
Figur 1 eine Seitenansicht eines Motor-Getriebe-Aggregates eines Kraftfahrzeugs
mit an den Stirnseiten des Motors angeordneten Ausgleichseinrichtungen, die aus
mit exzentrischen Ausgleichsmassen versehenen Treibrädern bestehen und Figur 2 eine
Ausführung, bei der die Ausgleichseinrichtungen aus Planetengetrieben bestehen,
deren Planetenräder exzentrische Ausgleichsmassen tragen.
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In den beiden Figuren der Zeichnung ist jeweils mit 1 ein aus einem
beispielsweise 4-Zylinder-Viertakt-Reihenmotor 2 und einem Geschwindigkeitswechselgetriebe
3 bestehendes Antriebsaggregat eines Kraftfahrzeugs bezeichnet. 4 stellt ein an
der Stirnseite der Kurbelwelle angebrachtes Zahnrad zum Antrieb eines Nockenwellenzahnrades
5 dar.
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An den beiden Stirnseiten des Motors 2 sind jeweils gleichartige Vorrichtungen
6a und 6b bzw. 12a und 12b angeflanscht, die in einer zur Kurbelwellenachse senkrechten
Ebene umlaufende Ausgleichskräfte erzeugen und die mit einer der auszugleichenden
Massenkraftordnung entsprechenden Übersetzung gegenüber der Kurbelwelle 4, vorzugsweise
also zum Ausgleich der Massenkräfte II. Ordnung mit der doppelten Drehzahl der Kurbelwelle,
angetrieben werden.
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Bei der Ausführung nach der Figur 1 bestehen diese Vorrichtungen 6a
und 6b aus einem Treibrad 7 bzw. 9, das jeweils eine exzentrisch angeordnete Ausgleichsmasse
8 bzw. 10 trägt. Das Treibrad 7 bzw. 9 wird in der hier gezeigten Ausführung von
einem auf der Nockenwelle angebrachten Zahnrad 11a bzw. 11b beispielsweise über
einen Zahnriementrieb angetrieben. Es wäre jedoch auch ohne weiteres ein Zahnradtrieb,
auch direkt von der Kurbelwelle,möglich. Auch könnte bei einem besonders einfachen
Ausführungsbeispiel der Antrieb des Treibrades 7 in der Weise erfolgen, daß dieses
als gezahnte Spannrolle für einen von der Kurbelwelle angetriebenen Nockenwellen-Zahnriementrieb
ausgebildet ist und so gleichzeitig mit der Nockenwelle von der Kurbelwelle angetrieben
wird. Das zweite Treibrad 9 könnte dann auch mittels einer durch den Motor hindurchgesteckten
Antriebswelle zusammen mit dem Treibrad 7 angetrieben werden. Als Antrieb für das
zweite Treibrad 9 könnte sich auch ein Antrieb von dem hier nicht gezeigten Schwungrad
als günstig erweisen, das sich zwischen dem Motor 2 und dem Getriebe 3 befindet.
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Bei der Ausführung nach der Figur 2 ist als Ausgleichsvorrichtung
ein Planetentriebsatz 12a bzw. 12b gezeigt, der aus einem in einem feststehenden,
innenverzahnten Glockenrad 13 im Verhältnis 1 : 2 kämmenden Planetenrad 14 besteht,
das eine exzentrische Ausgleichsmasse 17 trägt. Das Planetenrad ist seinerseits
exzentrisch an einer Tragscheibe 15 gelagert, die starr mit einem Treibrad 16 verbunden
ist, das in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel über einen Zahnriemen von einem
auf der Nockenwelle angeordneten Zahnrad 11a
angetrieben wird. An
der Tragscheibe 15 ist diametral gegenüber dem Planetenrad 14 ein Gegengewicht 18
angebracht, dessen Masse so bemessen ist, daß die von dem Planetenrad verursachte,
umlaufende Massenkraft gerade ausgeglichen wird, so daß nur die von der Ausgleichsmasse
17 erzeugte Ausgleichskraft übrig bleibt, die sowohl zum Ausgleich der in Zylinderlängsrichtung
verlaufenden unausgeglichenen Massenkräfte des Motors 2 als auch zum Ausgleich der
dazu senkrechten Gleitbahnquerkräfte herangezogen werden kann.
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Die Ausgleichskräfte sind in den Figuren der Zeichnung mit FA1 bzw.
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FA2 bezeichnet. Die zugehörigen Hebelarme von dem mit S angedeuteten
Schwerpunkt des gesamten aus Motor 2 und Getriebe 3 bestehenden Aggregates 1 sind
mit b und c angegeben, während a der Hebelarm der Resultierenden der freien Massenkräfte
II. Ordnung FII des Motors sind. Wie oben bereits erwähnt wurde, können die Ausgleichsmassen
unterschiedliche Größen aufweisen, so daß die an den beiden Stirnseiten des Motors
erzeugten Ausgleichskräfte unterschiedlich groß sind. Durch geeignete Bemessung
der Ausgleichsmassen können dann die im Bereich der Lagerung an den Aggregateenden
auftretenden Schwingungsausschläge auf relativ niedrige Werte begrenzt werden, die
eine wesentliche Verbesserung des Geräuschverhaltens des Fahrzeugs und damit des
Komforts bewirken.