DE2829042C2 - Einrichtung zum Ausgleich der Massenkräfte von Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen - Google Patents

Einrichtung zum Ausgleich der Massenkräfte von Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum zumindest teilweisen Ausgleich der freien Massenkräfte und -momente von Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bekanntlich treten beim Betrieb von Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen Massenkräfte und -momenteauf, die besonders durch die hin- und hergehenden Teile, wie Kolben, Pleuelstange und dergleichen verursacht sind, die je nach Art der Maschine sowie nach Zahl und Anordnung der Kurbelkröpfungen in mehr oder weniger großem Maße unausgeglichen sind und damit das Laufverhaiten und die Laufruhe der Maschine wesentlich beeinflussen.
Nun können bekanntlich die in Zylinderlängsrichtung auftretenden Massenkräfte I. und II. Ordnung durch umlaufende Gegengewichte, bzw. Gegengewichtspaare, ausgeglichen werden. So ist eine als Lanchester-Ausgleich bekannte Einrichtung zum Ausgleich der Massenkräfte II. Ordnung an Kolbenmaschinen, insbesondere an Vierzylinder-Viertakt-Reihenmotoren bekannt bei der zwei mit Gegengewichten versehene Neben wellen in zueinander entgegengesetzter Richtung mit doppelter Kurbelwellendrehzahl umlaufen. Auch bei einer Verbrennungskraftmaschine nach der DE-OS 25 42 738 sind zwei die Maschine in Längsrichtung durchsetzende Ausgleichswellen mit an diesen vorgesehenen exzentrischen Ausgleichsmassen vorgesehen. Diese bekannten Massenausgleichseinrichtungen erfordern einen relativ hohen Bauaufwand und verhältnismäßig viel Bauraum.
Ein weiterer Nachteil dieser Einrichtungen besteht darin, daß diese von vornherein mit der Konstruktion der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine berücksichtigt werden müssen und daß ein nachträglicher Einbau an einer bereits vorhandenen oder zumindest fertig konstruierten Maschine nicht möglich ist
Weiterhin zeigt sich, daß neben den in Zylinderlängsrichtung auftretenden Massenkräften auch noch auf die Zylindergleitbahn einwirkende Querkräfte vorhanden sind, die aufgrtmd ihres Abstandes von der Kurbelwelle freie Momente um die Kurbelwellenachse erzeugen, die ebenfalls die Laufruhe der Maschine beeinflussen. Solche Gleitbahn-Kräfte ergeben sich als Querkomponenten 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- bzw. Momentausglexhseinrichtung 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- bzw. Momenten-Ausgleichseinrichtung auch zum nachträglichen Anbau an bereits vorhandenen Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen eignen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Durch das von der Erfindung vorgesehene, mit exzentrischen Ausgleichsmassen versehene und an wenigstens einer Stirnseite der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine angeordnete Antriebsscheibenpaar läßt sich auf einfache Weise und ohne daß zusätzliche 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. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgleichsso einrichtung besteht dabei 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 angebracht wird, wäre auch dies erreichbar — so ist doch wenigstens ein teilweiser Ausgleich möglich, der das Schwingungs- und Geräuschverhalten, insbesondere von Brennkraftmaschinen bei Personenkraftfahrzeugen, entscheidend verbessern kann.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß den Merkmalen der Unteransprüche.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Dabei zeigt in schematischer Darstellungsweise
F i g. 1 eine Seitenansicht eines Motor-Getriebe-Aggregates eines Kraftfahrzeuges mit einer an der Stirnseite angeordneten Massenausgleichseinrichtung gemäß der Erfindung,
F i g. 2 eine Ansicht des Aggregates von der Stirnseite her und
F i g. 3 eine Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
In der Zeichnung ist mit 1 das aus einem beispielsweise Vierzylinder-4Takt-Reihenmotor 2 und einem Getriebe 3 bestehende Antriebsaggregat eines Kraftfahrzeugs bezeichnet 4 stellt ein an der Stirnseite der Kurbelwelle angebrachtes Zahnrad zum Antrieb eines Nokkenwellenzahnrades S sowie eines Paares von Antriebsscheiben 6,8 der Massenausgleichseinrichtung dar. Diese Massenausgleichseinrichtung ist an der Stirnseite des Motors 2 angeflanscht und wird, wie aus der Fig.2 näher hervorgeht, über einen beidseitig gezahnten Zahnriemen 10 so angetrieben, daß die beiden Antriebsscheiben entgegengesetzt umlaufen. Der Zahnriementrieb weist neben dem Kurbelwellenzahnrad 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 und 9, die als Unwuchten bei ihrer Drehung eine radial gerichtete Zentrifugalkraft erzeugen. Die Ausgleichsmassen 7 und 9 sind dabei so angeordnet, daß ihre parallel zur Zylinderachse verlaufenden Zentrifugalkraftkomponeiiten 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 jm 90° in einander entgegengesetzten Richtungen wirken. Nach nochmaliger Weiterdrehung um 90° stehen dieAusgleichsmassen senkrecht oberhalb ihrer Drehachse und ihre Zentrifugalkräfte addieren sich wieder.
Die sich bei dieser Ausbildung ergebenden, in Zylinderlängsrichtung wirkenden resultierenden Unwuchtkräfte, die in der F i g. 1 mit FA angedeutet sind, sollen nun zum Ausgleich der beim Betrieb der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine entstehenden freien Massenkräfte beziehungsweise -momente herangezogen werden. Bei Vierzylinder-4Takt-Reihenmaschinen treten bekanntlich freie Massenkräfte II. Ordnung auf, die in Zylinderlängsrichtung wirken und in der F i g. 1 der Zeichnung mit Fm 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 eben mit der doppelten Drehzahl der Kurbelwelle angetrieben werden müssen.
einrichtung wegen des leichteren nachträglichen Anbaus an der Stirnseite des Motor-Getriebe-Aggregates und nicht unmittelbar dort angebracht wird, wo die Resultierenden der unausgeglichenen Massenkräfte des Kurbeltriebs wirksam sind, können nicht gleichzeitig die Massenkräfte und die von diesen Kräften ausgeübten Momente um den Aggregatschwerpunkt 5 zur gleichen Zeit vollständig ausgeglichen werden, jedenfalls dann nicht, wenn die erfindungsgemäße Massenausgleichseinrichtung nur an einer Stirnseite das 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
ίο in der Zeichnung gezeigten Ausführung wird man sich daher begnügen, nur einen Teilausgleich der freien Massenkräfte und zusätzlich einen weitgehenden Ausgleich der von diesen freien Massenkräften um den Schwerpunkt S erzeugten Momente zu erreichen. Dabei stellt sich der Vorteil des relativ großen Hebelarms b der Auf.gleichskräfte Fa zum Schwerpunkt 5 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 Restkräfte in der Größenordnung der Differenz zwischen den Massenkräften Fm und den Ausgleichskräften Fa.
Wenn, wie in der F i g. 2 der Zeichnung angedeutet ist, die Achsen der Antriebsscheiben 6 und 8 in Zylinderachsrichtung gegeneinander versetzt sind, dann ergibt sich für die senkrecht zur Zylinderachse wirkenden Zentrifugalkraftkomponenten ein aus dem Hebelarm h sich ergebendes Moment um eine zur Kurbelwellenachse parallele Achse. Dieses Moment, das je nach Anordnung der beiden Antriebsscheiben 6 und 8 im oder gegen den Uhrzeigersinn verlaufend 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 F i g. 3 schließlich ist noch eine mögliche Aus-
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und 8' mit den Ausgleichsmassen T und 9' auf einer schwenkbar um einen Lagerpunkt 12 gehaltenen Platte 11 un der Stirnseite des Motors 2 gelagert sein können. Zur Verschwenkung dieser Platte ist in der F i g. 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 h' eine Anpassung der damit erzeugten Drehmomente an die in dem Aggregat erzeugten freien Drehmomente um die Kurbelwelle erreicht. Mit 13 ist eine Spannvorrichtung zur Straffung des Zahnriemens angedeutet, die erforderlich ist, um einen Längenausgleich des Zahnriemens 10 bei einer Verstellung der Platte 11 zu gewährleisten.
Selbstverständlich ist es auch denkbar, den besonderen Antrieb 14 wegzulassen und lediglich eine Möglichkeit zur Einstellung der Platte in verschiedenenWinkel-Stellungen vorzusehen. Damit könnte die erfindungsgemäße 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-ZyIinder-4Takt-Reihenmotoren auftretenden freien Massenmomente vollständig ausgeglichen werden können (unter Inkaufnahme von Restkräften 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 Beitrag zur Verbesserung des Schwingungs- und Geräuschverhaltens dieser Maschinen zu liefern.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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Claims (6)

Patentansprüche:
1. Einrichtung zum zumindest teilweisen Ausgleich der freien Massenkräfte und -momente von Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen mit einem Paar von gegenläufig umlaufenden Ausgleichsmassen, die mit einer der auszugleichenden Massenkraft- bzw. Momenten-Ordnung entsprechenden Übersetzung von der Kurbelwelle antreibbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einer Stirnseite der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine (2) in einer im wesentlichen senkrecht zur Kurbelwellenachse liegenden Ebene ein Paar von durch die Kurbelwelle (4) angetriebenen Antriebsscheiben (6, 8) gelagert ist, von denen jede eine exzentrisch angeordnete Ausgleichsmasse aufweist
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsscheibenpaar (6, 8) von einem beidseitig gezahnten Zahnriemen (10) in einander entgegengesetzter Richtung antreibbar ist
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.
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