DE2829042A1 - Einrichtung zum ausgleich der massenkraefte von hubkolben-kurbelwellenmaschinen - Google Patents
Einrichtung zum ausgleich der massenkraefte von hubkolben-kurbelwellenmaschinenInfo
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Description
VOLKSWAGENWERK
3180 Volfsburg
Unsere Zeichen: K 2572
1702pt-we-jä
1702pt-we-jä
Einrichtung zum Ausgleich der Massenkräfte von Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung, zum zumindest
teilweisen Ausgleich der freien Massenkräfte und -momente von Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen, insbesondere zum Teilausgleich
der Massenkräfte II. Ordnung von Vierzylinder-zl.Takt-Ileihenmaschinen
und zum Ausgleich der freien Massenmomente von 5- beziehungsweise ii-Zylinder-^-Takt-Iteihenmaschinen.
Bekanntlich treten beim Betrieb von Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen
Massenkräfte und -momente auf, die besonders durch die hin- und hergehenden Teile, wie Kolben, Pleuelstange und dergleichen
verursacht sind und die je nach Art der Maschine sowie
nach Zahl und Anordnung der Kurbelkröpfungen in mehr oder weniger großem Maße unausgeglichen sind und damit das Laufverhalten
und die Laufruhe der Maschine wesentlich beeinflussen.
Hun können bekanntlich die in Zylinderlängsrichtung auftretenden
Massenkräfte I. und II. Ordnung durch umlaufende Gegengewichte, beziehungsweise Gegengewichtspaare ausgeglichen werden.
So ist eine als Lanchester-Ausgleich bezeichnete Einrich-
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des Aulsichtsrats: Günter Hartwich · Horst Münzner · Dr. rer. pol. Werner P. Schmidt Gottlieb M. Strobl · Prof. Dr. rer. pol. Friedrich Thomee
tung zum Ausgleich der Massenkräfte II. Ordnung an Kolbenmaschinen,
insbesondere an Vierzylinder-4-Takt-Reihenmotoren, bekannt,
bei der zwei mit Gegengewichten versehene Hebenwellen in zueinander
entgegengesetzter Richtung mit doppelter Kurbelwellendrehzahl umlaufen. Diese Massenausgleichseinrichtung erfordert jedoch
einen relativ hohen Bauaufwand und verhältnismäßig viel Bauraum. Ein weiterer Nachteil dieser Einrichtung besteht darin,
daß diese von vornherein bei der Konstruktion der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine
berücksichtigt werden muß und daß ein nachträglicher Einbau an einer vorhandenen Maschine nicht möglich ist.
Weiterhin zeigt sich, daß neben den in Zylinderlängsrichtung auftretenden
Massenkräften auch noch auf die Zylindergleitbahn einwirkende Querkräfte vorhanden sind, die aufgrund ihres Abstandes
von der Kurbelwelle freie Momente um die Kurbelwellenachae erzeugen,
die ebenfalls die Laufruhe der Maschine beeinflussen. Solche Gleitbahn-Kräfte ergeben sich als Querkonponenten der an den
Pleueln wirkenden Massen- und Gaskräfte infolge der während der Kurbelwellendrehung erfolgenden Schwenkbewegung der Pleuel.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird daher darin gesehen,
eine Massenkraft beziehungsweise Momentenausgleichseinrichtung für Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen zu schaffen, die
mit sehr geringem Aufwand an Bauraum und Baukosten einen zumindest teilweisen Ausgleich der Massenkräfte und Massenmomente beliebiger
Ordnung ermöglicht. Darüberhinaus soll sich die erfindungsgemäße Massenkraft- beziehungsweise Momenten-Ausgleichsein·
richtung auch zum nachträglichen Anbau an bereits vorhandenen Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen eignen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird von der Erfindung vorgeschlagen, daß an wenigstens einer Stirnseite der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine
ein Paar von exzentrisch gelagerten, gegenläufig umlaufenden Ausgleichsmassen vorgesehen ist, das mit einer der auszu-
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gleichenden Ordnung entsprechenden Übersetzung von der Kurbelwelle
in einer zur Kurbelwellenachse senkrechten Ebene aritreibbär ist. Durch ein solches Paar von entgegengesetzt umlaufenden
Ausgleichsmassen, das zweckmäßige-rweise von einem beidseitig gezahnten Zahnriemen von der Kurbelwelle angetrieben wird, läßt sich
auf einfache Weise und ohne daß zusätzli; he Querkräfte entstehen,
sowohl ein Teilausgleich der im wesentlichen in Zylinderlängsrichtung
verlaufenden Massenkräfte als auch ein voller Ausgleich der freien Massenmomente um eine senkrecht zur Zylinderachse verlaufende
Querachse erreichen. Dazu sollten die exzentrischen Ausgleichsmassen in der Weise angeordnet sein, daß ihre parallel zur
Zylinderachse verlaufenden Zentrifugalkraftkomponenten sich addieren und ihre senkrecht zur Zylinderachse verlaufenden Zentrifugalkraftkomponenten
sich aufheben.
TJm schließlich auch zusätzliche Momente um die Kurbelwellenachse aus Gleitbahn-Kräften oder dergleichen ausgleichen zu können, könnten
die Drehachsen der Antriebsscheiben der Ausgleichsmassen auch in Zylinderachsrichtung gegeneinander versetzt sein, so daß die
senkrecht zur Zylinderachse wirkenden und einander entgegengesetzt gerichteten Komponenten der Zentrifugalkräfte einen Hebelarm zur
Bildung eines Gegenmomentes besitzen.
TJm hier eine in Abhängigkeit von der Maschine individuell einstellbare
Massenkraft- beziehungsweise Momenten-Ausgleichseinrichtung zu erhalten, könnten gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung die
Antriebsscheiben der Ausgleichsmassen auf einer um eine parallel zur Kurbelwellenachse verlaufende Achse verschwenkbaren Platte gelagert
sein, wobei dann eine Vorrichtung zur Spannung der Zahnriemens vorzusehen ist. Mit Hilfe einer solchen, zweckmäßigerweise in
ihrem Schwenkwinkel einstellbaren Platte kann nämlich der zwischen den beiden senkrecht zur Zylinderachse wirkenden Zentrifugalkraftkomponenten
bestehende Hbelarm und damit die Größe des Ausgleichsmomentes verändert werden. In Weiterbildung dieses Gedankens könnte
auch ein Antrieb zur Verschwenkung der Platte in Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder der Belastung der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine
vorgesehen sein* Dadurch würde dann eine optimale Möglich-
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keit geschaffen, die beispielsweise aus Gleitbahn-Kräften herrührenden
und an dem Motorgehäuse wirksam werdenden freien Momente entsprechend den gegebenen Verhältnissen auszugleichen.
Ein wesentlicher Torteil der erfindungsgemäßen Ausgleichseinrichtung
besteht zudem darin, daß wenig Bauaufwand und Bauraum erforderlich ist und daß diese auch noch bei bereits vorhandenen Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen
nachträglich eingebaut werden kann. Wenn auch nicht immer ein vollständiger Ausgleich der Massenkräfte
möglich ist - falls an beiden Stirnseiten der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine eine solche Ausgleichseinrichtung vorgesehen ist,
wäre auch dies erreichbar - so ist doch wenigstens ein teilweiser Ausgleich möglich, der das Schwingungs- und Geräuschverhaitent insbesondere
von Brennkraftmaschinen bei Personenkraftfahrzeugen,entscheidend verbessern kann.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von in der Zeichnung gezeigten
Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Dabei zeigt in schematischer Darstellungsweise
Figur 1 eine Seitenansicht eines Motor-Getriebe-Aggregates eines Kraftfahrzeuges mit einer an der
Stirnseite angeordneten Massenausgleichseinrichtung gemäß der Erfindung, Figur 2 eine Ansicht des Aggregates von der Stirnseite
her und
Figur 3 eine Darstellung einer anderen Ausführungsform
der Erfindung.
In der Zeichnung ist mit 1 das aus einem beispielsweise Vierzylinder-4Takt-Reihenmotcr
2 und einem Getriebe 3 bestehende Antriebsaggregat eines Kraftfahrzeugs bezeichnet. 4 stellt ein
an der Stirnseite der Kurbelwelle angebrachtes Zahnrad zum Antrieb eines Nockenwellenzahnrades 5 sowie eines Paares von Antriebsscheiben
6, 8 der Massenausgleichseinrichtung dar. Diese Massenausgleichseinrichtung ist an der Stirnseite des Motors 2
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angeflanscht und wird, wie aus der Figur 2 näher hervorgeht, über einen beidseitig gezahnten Zahnriemen 10 so angetrieben, daß die
beiden Antriebsscheiben entgegengesetzt umlaufen. Der Zahnriementrieb weist neben dem Kurbelwellehzahnrad 4 und dem Nockenwellenzahnrad
5 noch ein Umlenkzahnrad 15 sowie gegebenenfalls noch eine
Einrichtung zur Spannung des Zahnriemens auf.
Die Massenausgleichseinrichtung besteht nun im wesentlichen aus an den Antriebsscheiben 6 und 8 exzentrisch angeordneten Ausgleichsmassen
7 iind 9, die als Umwuchten bei ihrer Drehung eine
radial gerichtete Zentrifugalkraft erzeugen. Die Ausgleichsmassen 7 und 9 sind dabei so angeordnet, daß ihre parallel zur Zylinderachse
verlaufenden Zentrifugalkraftkomponenten sich addieren und ihre senkrecht zur Zylinderachse verlaufenden Zentrifugalkraftkomponenten
sich aufheben. Bei der in der Zeichnung angedeuteten Anordnung ergibt sich dieser Effekt, da ausgehend von der in der
Zeichnung gezeigten Stellung der Ausgleichsmassen senkrecht unterhalb ihrer Drehachse, in der ihre Zentrifugalkräfte in gleicher
Richtung wirken, diese bei der Weiterdrehung um 90 in einander
entgegengesetzten Eichtungen wirken. Nach nochmaliger Weiterdrehung
um 90° stehen die Ausgleichsmassen senkrecht oberhalb ihrer Drehachse und ihre Zentrifugalkräfte addieren sich-wieder.
Die sich bei dieser Ausbildung ergebenden.^in Zylinderlängsrichtung
wirkenden resultierenden TJnwuchtkräfte, die in der Figur 1
mit F. angedeutet sind, sollen nun zum Ausgleich der beim Betrieb der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine entstehenden freien Massenkräfte
beziehungsweise -momente herangezogen v/erden. Bei Vierzylinder-4Takt-Reihenmaschinen
treten bekanntlich freie Massenkräfte II. Ordnung auf, die in Zylinderlängsrichtung wirken und in der
Figur 1 der Zeichnung mit F., angedeutet sind. Diese freien Massenkräfte,
die mit der doppelten Drehzahl der Kurbelwelle umlaufen, sind durch Gegengewichte an den Pleueln nicht ausgleichbar. Der
Ausgleich ist jedoch mit der in der Zeichnung gezeigten Ausgleichseinrichtung durchführbar, wobei die Antriebsräder 6 und 8
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eben mit der doppelten Drehzahl der Kurbelwelle angetrieben werden müssen.
Da jedoch die erfindungsgemäße Massenausgleichseinrichtung wegen des leichteren nachträglichen Anbaus an der Stirnseite des Motor-Getriebe-Aggregates
und nicht unmittelbar dort angebracht wird, wo die Eesultierendaider unausgeglichenen Massenkräfte
des Kurbeltriebs wirksam sind, können nicht gleichzeitig die Massenkräfte und die von diesen Kräften ausgeübten Momente um
den Aggregatschwerpunkt S zur gleichen Zeit vollständig ausgeglichen
werden, jedenfalls dann nicht, wenn die erfindungsgemäße Massenausgleichsexnrichtung nur an einer Stirnseite des
Motors angebracht ist. Die Verhältnisse verbessern sich wesentlich, wenn auch an der anderen Stirnseite, was hier nicht weiter
angedeutet ist, ebenfalls eine solche Massenausgleichseinrichtung vorgesehen ist, die dann beispielsweise von der Nockenwelle
mit der doppelten Drehzahl der Kurbelwelle angetrieben werden könnte. Bei in der in der Zeichnung gezeigten Ausführung
wird man sich daher begnügen, nur einen Teilausgleich der freien Massenkräfte und zusätzlich einen weitgehenden Ausgleich der von
diesen Treien Massenkräften um den Schwerpunkt S erzeugten Momente
zu erreichen. Dabei stellt sich der Torteil des relativ großen Hebelarms b der Ausgleichskräfte F. zum Schwerpunkt S
ein, der es ermöglicht, die Ausgleichsmasse zum Momentenausgleich im Verhältnis der Hebelarme a: b klein zu halten. Dadurch
vereinfacht sich die konstruktive Ausgestaltung der Ausgleichseinrichtung wesentlich. Es verbleiben jedoch im Schwerpunkt
wirkende, unausgeglichene Bestkräfte in der Größenordnung der Differenz zwischen den Massenkräften P„ und den Ausgleichskräften
fa.
Venn, wie in der Figur 2 der Zeichnung angedeutet ist, die Achsen
der Antriebsscheiben 6 und 8 in Zylinderachsrichtung gegeneinander
sich für
versetzt sind,dam ergibt / die senkrecht zur Zylinderachse wirkenden
Zentrifugalkraftkomponenten ein aus dem Hebelarm h sich
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ergehendes Moment um eine zur Kurhelwellenachse parallele Achse.
Dieses Moment, das je nach Anordnung der beiden Antriebsscheiben
6 und 8 im oder gegen den Uhrzeigersimverlaufend vorgesehen
werden kann, könnte dazu herangezogen werden, an dem Motor-Getriebe-Aggregat
1 auftretende Momente um die Kurbelwellenachse auszugleichen. Solche Momente ergeben sich beispielsweise aus den
in dem Motor erzeugten, quer zu den Zylinderachsen gerichteten Gleitbahnkräften, die von den an den Pleueln wirkenden Massen-
und Gaskräften herrühren. Dabei wirken die aus den Massenkräften sich ergebenden Gleitbahnkräfte gerade in entgegengesetzter Richtung
zu den Gaskräften, so daß auch deren resultierende Momente
um die Kurbelwellenachse einander entgegengerichtet sind. Je nach Überwiegen des einen oder anderen Momentenanteils wird man daher
die Anordnung der Antriebsräder 6 und 8 der Ausgleichsmassen 7> 9 so treffen, daß ein weitgehender Ausgleich solcher freien Momente
um die Kurbelwellenachse erreichbar ist.
Zusätzliche Momentenbelastungen um eine Hauptträgheitsachse des Aggregates können sich auch aus der Anordnung des Aggregats, seiner
Gewichtsverteilung und der Art der Drehmomentabnahme ergeben, wobei die Verhältnisse sehr unterschiedlich sind, je nachdem, ob
der Motor längs oder quer eingebaut ist und ob das Getriebe am Motor angeflanscht oder gesondert, beispielsweise im Heck des
Fahrzeugs,gelagert ist. Auch diese und andere Momente lassen sich
mit der erfindungsgemäßen Massenausgleichseinrichtung ausgleichen.
In der Figur 3 schließlich ist noch eine mögliche Ausführungsform
gezeigt, bei der die Antriebsscheiben 6« und 8' mit den Ausgleichsmassen 7* und 91 auf einer schwenkbar um einen Lagerpunkt 12 gehaltenen
Platte 11 an der Stirnseite des Motors 2 gelagert sein können. Zur Verschwenkung dieser Platte ist in der Figur 3 ein Antrieb
14 dargestellt, der beispielsweise in Abhängigkeit von der Belastung und/oder der Drehzahl der Kurbelwellenmaschine unterschiedliche
Stellungen der Platte 11 festlegt und auf diese Weise
durch Veränderung des Hebelarmes h1 eine Anpassung der damit erzeugten
Drehmomente an die in dem Aggregat erzeugten freien Dreh-
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momente tun die Kurbelwelle erreicht. Mit 13 ist eine Spannvorrichtung
zur Straffung des Zahnriemens angedeutet, die erforderlich ist, um einen Längenausgleich des Zahnriemens 10 bei einer
Terstellung der Platte 11 zu gewährleisten.
Selbstverständlich ist es auch denkbar, den besonderen Antrieb 14
wegzulassen und lediglich eine Möglichkeit zur Einstellung der Platte in verschiedenen Winkelstellungen vorzusehen. Damit könnte
die erfindungsgemäBe Ausgleichseinrichtung individuellen Forderungen
zum Ausgleich bestimmter Drehmomente angepaßt werden.
Wie oben bereits erwähnt wurde, ist es durchaus denkbar, auch eine
derartige -Anordnung an der anderen Stirnseite des Motors 2 vorzusehen, um dadurch einen noch effektiveren Ausgleich zu erreichen.
Wie oben bereits angedeutet wurde, ist die erfindungsgemäße Massenausgleichseinrichtung
keineswegs auf 4 Zylinder-4Takt-Reihenmotoren
beschränkt. Es ist bereits erwähnt worden, daß mit Hilfe dieser Einrichtung die bei 3- beziehungsweise 5-Zylinder-4Takt-Reihenmotoren
auftretenden freien Massenmomente vollständig ausgeglichen werden können (unter Inkaufnahme von Bestkräften im Aggregateschwerpunkt).
Auch hierbei ist zusätzlich der Ausgleich von freien Momenten im die Kurbelwellenachse wie bei den 4 Zylinder-4Takt-Reihenmotoren
möglich. Grundsätzlich läßt sich die Erfindung bei allen Kurbelwellenmaschinen zum Ausgleich von freien Kräften und Momenten
bestimmter, beliebiger Ordnungen heranziehen, um so einen Seitrag zur Verbesserung des Schwingungs- und Geräuschverhaltens dieser
Maschinen zu liefern.
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Claims (6)
- VOLKSWAGENWERKAKTIENGESELLSCHAFT3180 WolfsburgUnsere Zeichen: K 2572
1702pt-we-jäA H S P H Ö C E E/j) Einrichtung zum zumindest teilweisen Ausgleich der freien Massenkräfte und -momente von Hubkolben-Kurbelwellenmaschi-' nen, insbesondere zum Teilausgleich der Massenkräfte II. Ordnung von Vierzylinder-Viertakt-Reihenmaschinen und zum Ausgleich der freien Massenmomente von 3- beziehungsweise 5-Zylinder-zJ-Takt-Reihenmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einer Stirnseite der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine (2) ein Paar von exzentrisch gelagerten, gegenläufig umlaufenden Ausgleichsmassen (6, 7; 8, 9) vorgesehen ist, das mit einer der auszugleichenden Massenkraft- beziehungsweise Momenten-Ordnung entsprechenden Übersetzung von der Kurbelwelle (4) in einer zur Kurbelwellenachse senkrechten Ebene antreibbar ist. - 2. Massenausgleichseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von die exzentrischen Ausgleichsmassen (7» 9) aufweisenden Antriebsscheiben (6, 8) von einem beidseitig gezahnten Zahnriemen (1O) in einander entgegengesetzter Richtung antreibbar ist.- 909882/05A2Vorsitzender Vorstand: Toni Schmucker, Vorsitzender · Horst Backsmann · Prof. Or. techn. Ernst Fiala · Dr. jur. Peter Frerkdes Aulsichtsrats: Günter Hartwich · Horst MUnzner ■ Dr. rer.pol.Werner P.Schmidt Gottlieb M.Strobl · Prof.Dr. rer.pol.Friedrich Thome»Hans Birnbaum Sitz der Gesellschaft: Wolfsburg. Amtsgericht Wolfsburg HRB
- 3. Massenausgleichseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die exzentrischen Ausgleichsmassen (7» 9) in der Weise angeordnet sind, daß ihre parallel zur Zylinderachse verlaufenden Zentrifugalkraftkomponenten sich addieren und ihre senkrecht zur Zylinderachse verlaufenden Zentrifugalkraftkomponenten sich aufheben.
- 4· Massenausgleichseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachsen der Antriebsscheiben (6, 8) der Ausgleichsmassen (7» 9) in Zylinderachsrichtung gegeneinander versetzt sind.
- 5. Massenausgleichseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsscheiben (6, 8) der Ausgleichsmassen (7» 9) auf einer um eine parallel zur Kurbelwellenachse verlaufende Achse (12) verschwenkbaren Platte (11) gelagert sind und daß eine Vorrichtung (13) zur Spannung des Zahnriemens vorgesehen ist.
- 6. Massenausgleichseinrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß ein Antrieb (14) zur Verschwenkung der Platte (11) in Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder der Belastung der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine (2) vorgesehen ist.909882/0542
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