DE3031744A1 - COMPENSATING DEVICE FOR A PISTON MACHINE - Google Patents
COMPENSATING DEVICE FOR A PISTON MACHINEInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Ausgleichsvorrichtung für eine Kolbenmaschine wie einen Motor, eine Pumpe oder einen Kompressor. The invention relates to a compensation device for a piston machine such as a motor, a pump or a compressor.
Bei einem bekannten Vierzylinder-Reihen-Viertaktmotor für ein Kraftfahrzeug kann die unausgeglichene Kraft F der sich hin und her bewegenden Massen in der vertikalen Richtung oder der axialen Richtung 10 jedes Zylinders theoretisch durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:In a known four-cylinder in-line four-stroke engine for a motor vehicle, the unbalanced force F of the can and moving masses in the vertical direction or the axial direction 10 of each cylinder theoretically by the following Can be expressed in the equation:
F = 4mrw2 ^ C5 cos 2ηθ ... (1),F = 4mrw 2 ^ C 5 cos 2ηθ ... (1),
m n=1 in m n = 1 in
C2 = "λ + 4p" + ·"··'■ C 2 = "λ + 4p" + · "·· '■
m = sich hin und her bewegende Masse pro Zylinder; r = Kurbelradiusm = reciprocating mass per cylinder; r = crank radius
w = Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit θ = Kurbelwinkel bezüglich des oberen Totpunktesw = crankshaft angular velocity θ = crank angle with respect to top dead center
eines zweiten oder dritten Zylinders, 1 = effektive Länge jeder Pleuelstange,das heißt dieof a second or third cylinder, 1 = effective length of each connecting rod, i.e. the
Entfernung zwischen den Mittellinien der Kolben-Distance between the center lines of the piston
anlenkbolzen und der kurbelwellenseitigen Pleuel-pivot pin and the crankshaft-side connecting rod
stangenendlager; und
λ = l/r, das Pleuelstangenverhältnis darstellt, dasrod end bearings; and
λ = l / r, representing the connecting rod ratio that
normalerweise zwischen 2 und 4 liegt.usually between 2 and 4.
Als Hauptanteil der Motorschwingungen verursachenden, unausgeglichenen Kräfte werden die Komponenten zweiter Ordnung angesehen, die im folgenden als F„ bezeichnet werden, wobei in der vorstehend angegebenen Gleichung (1) η gleich 1 ist.As the main part of the unbalanced engine vibrations causing Forces are considered to be the components of the second order, which are referred to below as F ", where in the above equation (1), η is 1.
1300U/10311300U / 1031
Beispielsweise beträgt im Falle von Motoren mit einem Hubraum von 2000 cm3 die unausgeglichene Kraft F2m bei einer Motordrehzahl von 6000 Upm näherungsweise 1200 bis 1500 kg. Auf diese Weise werden Motorschwingungen und Geräusche verursacht.For example, in the case of engines with a displacement of 2000 cm 3, the unbalanced force F 2m at an engine speed of 6000 rpm is approximately 1200 to 1500 kg. This causes engine vibration and noise.
Für einen Ausgleich der unausgeglichenen Kraft F2 weist eine bekannte Ausgleichsvorrichtung für eine Kolbenmaschine ein Paar von Ausgleichern 12, 12" auf, die bezüglich der Achse 10 jedes Motorzylinders symmetrisch angeordnet sind, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Diese Ausgleicher 12, 12' sind derart konstruiert, daß sie mit der doppelten Umlaufgeschwindigkeit der Kurbelwelle in entgegengesetzten Richtungen umlaufen.To compensate for the unbalanced force F 2 , a known compensating device for a piston machine has a pair of compensators 12, 12 ″ which are arranged symmetrically with respect to the axis 10 of each engine cylinder, as is shown in FIG 'are designed so that they rotate at twice the speed of rotation of the crankshaft in opposite directions.
Bei einer derartigen bekannten Ausgleichsvorrichtung ist auch ein Paar von Wellen 13, 13* als Träger für die Ausgleicher 12, 12* erforderlich. Ebenso muß ein Kraftübertragungsglied wie ein Antriebsrad-, Zahnrad- oder Kettenmechanismus zwischen der Kurbelwelle und jeder Ausgleicherwelle vorgesehen werden, so daß sich die Ausgleicher 12, 12' zur Herstellung eines Gleichgewichts der unausgeglichenen Kraft bewegen können. Ein weiterer Mangel der bekannten Ausgleichsvorrichtung besteht darin, daß nur die Komponenten zweiter Ordnung der unausgeglichenen Kraft in der vertikalen Richtung ausgeglichen werden können, so daß kein vollständiges Gleichgewicht herstellbar ist.In such a known balancing device there is also a pair of shafts 13, 13 * as supports for the balancers 12, 12 * required. A power transmission link must also be used how to provide a drive wheel, gear or chain mechanism between the crankshaft and each balancer shaft, so that the equalizer 12, 12 'to produce a Balance the unbalanced force can move. There is another shortcoming of the known compensating device in that only the second order components of the unbalanced force are balanced in the vertical direction can be so that no complete equilibrium can be established is.
Die erfindungsgemäße Ausgleichsvorrichtung für eine Kolbenmaschine weist jeweils an die Pleuelstangen angeformte Verlängerungen auf, die sich jeweils entgegengesetzt zu dem sich hin und her bewegenden Kolben erstrecken. Die jeweiligen Verlängerungen weisen an ihrem Ende Wellenzapfen auf, wobei Verbindungsglieder jeweils benachbarte Wellenzapfen paarweise miteinander verbinden. Auf den Verbindungsgliedern sind Ausgleichsgewichte in Lage gebracht, so daß bei jeder Kurbelwellenumdrehung jedes Ausgleichsgewicht sich zweimal hin und her bewegt.The compensating device according to the invention for a piston engine each has integrally formed extensions on the connecting rods, which are each opposite to the reciprocating pistons extend. The respective extensions have shaft journals at their ends, connecting links connecting adjacent shaft journals to one another in pairs. On the connecting links balance weights are brought into position so that each balance weight changes twice with each crankshaft revolution moved back and forth.
1300U/10311300U / 1031
Ein Ziel der Erfindung besteht daher in der Schaffung einer Ausgleichsvorrichtung für eine Kolbenmaschine, wie einen Motor, eine Pumpe oder einen Kompressor, bei der keine Wellen als Träger irgendwelcher Ausgleicher erforderlich sind.It is therefore an object of the invention to provide a balancing device for a reciprocating machine such as a Motor, pump or compressor that does not require shafts to support any balancer.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung einer Ausgleichsvorrichtung für die Kolbenmaschine, bei der die durch die sich hin und her bewegenden Massen hervorgerufene unausgeglichene Kraft ohne jegliche Änderungen der Maschine selbst vollständig ausgeglichen werden kann.Another object of the invention is to provide a compensating device for the reciprocating machine in which the unbalanced force caused by the masses moving back and forth without any changes in the Machine itself can be fully balanced.
Ferner besteht noch ein weiteres Ziel der Erfindung in der Schaffung einer Ausgleichsvorrichtung für einen Vierzylinder-Reihen- Viertaktmotor, durch die die Komponente zweiter Ordnung sowie alle anderen Komponenten der von den sich hin und her bewegenden Massen der Motoranordnung hervorgerufenen' unausgeglichenen Kraft vollständig ausgeglichen werden kann.Still another object of the invention is to provide a compensation device for a four-cylinder in-line Four-stroke engine through which the second-order component and all other components of the back and forth caused by moving masses of the motor assembly 'unbalanced Force can be fully balanced.
Ein bevorzugter Gedanke der Erfindung liegt in der Schaffung einer Ausgleichsvorrichtung für einen Vierzylinder-Reihen-Viertaktmotor, mit einer Kurbelwelle, einer Anzahl von Gegengewichten zum Ausgleich der Drehbewegungen der Kurbelwelle, einer ersten, zweiten, dritten und vierten Pleuelstange, die jeweils an ihren großen Enden mit vorbestimmten Bereichen der Kurbelwelle verbunden sind, einer ersten, zweiten, dritten und vierten stielartigen Verlängerung, die sich jeweils vom großen Ende der ersten, zweiten, dritten und vierten Pleuelstange aus starr in der dazu entgegengesetzten Richtung erstrecken, einem ersten, zweiten, dritten und vierten Wellenzapfen, die jeweils am äußeren Ende der ersten, zweiten, dritten und vierten stielartigen Verlängerung drehbar angeordnet sind, einem ersten Verbindungsglied zur Verbindung des ersten und zweiten Wellenzapfens, einem zweiten Verbindungsglied zur Verbindung des dritten und vierten Wellenzapfens, und einem jeweils an dem ersten und zweiten Verbindungsglied befestigten ersten und zweiten Ausgleichsgewicht zum Ausgleich jeder durch die sich hin und her bewegenden Massen des Motors verursachten, unausgeglichenen Kraft.A preferred idea of the invention lies in the creation of a compensating device for a four-cylinder in-line four-stroke engine, with a crankshaft, a number of counterweights to compensate for the rotational movements of the crankshaft, a first, second, third and fourth connecting rod, each at their large ends with predetermined areas of the Crankshaft are connected, a first, second, third and fourth stem-like extension, each extending from the large end of the first, second, third and fourth connecting rods rigidly extending in the opposite direction thereto, a first, second, third and fourth shaft journal, each at the outer end of the first, second, third and fourth stem-like extension are rotatably arranged, a first connecting member for connecting the first and second shaft journals, a second connecting link for connecting the third and fourth shaft journals, and first and second counterweights attached to each of the first and second links for counterbalancing any unbalanced force caused by the reciprocating masses of the engine.
13Q0H/103113Q0H / 1031
Diese und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit der Zeichnung ersichtlich. Hierin zeigen:These and other objects, features and advantages of the invention will be apparent from the following description of a preferred embodiment can be seen in connection with the drawing. Show here:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer bekannten Ausgleichsvorrichtung
für einen Vierzylinder-Reihen-Viertaktmotor ,
Fig. 2A eine perspektivische schematische Ansicht einer Ausgleichsvorrichtung für einen Vierzylinder-Reihen-Viertaktmotor
gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform
der Erfindung, und1 is a schematic view of a known compensation device for a four-cylinder in-line four-stroke engine,
2A shows a perspective schematic view of a compensation device for a four-cylinder in-line four-stroke engine according to a preferred embodiment of the invention, and FIG
Fig. 2B eine schematische Ansicht der in Fig. 2A dargestellten Ausgleichsvorrichtung.FIG. 2B is a schematic view of the compensation device shown in FIG. 2A.
In Fig. 2A und 2B ist eine Vorrichtung zum Gleichgewichtsabgleich eines Vierzylinder-Reihen-Viertaktmotors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Ein erster, zweiter, dritter und vierter Kolben 1 bis 1"' ist jeweils mit dem kleinen Ende einer ersten, zweiten, dritten und vierten Pleuelstange 2 bis 2"' verbunden. Die anderen Enden oder großen Enden 3 bis 3"' dieser Pleuelstangen sind in bekannter Weise, mit jeweils vorbestimmten Lagerflachen einer Kurbelwelle 9 verbunden.2A and 2B, an apparatus for balancing a four-cylinder in-line four-stroke engine according to one preferred embodiment of the invention shown. First, second, third and fourth pistons 1 to 1 "'are respectively connected to the small end of a first, second, third and fourth connecting rod 2 to 2 "'. The other ends or large ends 3 to 3 "'of these connecting rods are well known in Way, each with predetermined storage areas one Crankshaft 9 connected.
Eine erste, zweite, dritte und vierte Verlängerung 7 bis 7"', die vorzugsweise stielförmig ausgebildet sind, erstrecken sich jeweils starr oder einstückig von den großen Enden 3 bis 3"' der Pleuelstangen 2 bis 2"' aus unter Ausrichtung gemäß der Achse der jeweiligen Pleuelstange in der dazu entgegengesetzten Richtung, wie es in Fig. 2A dargestellt ist. An den äußeren Enden der Verlängerungen 7 bis 7"' sind jeweils Lager 4 bis 4"' befestigt, an denen ein erster, zweiter, dritter und vierter Wellenzapfen 5 bis 5"' gelagert ist. Ein erstes Verbindungsglied 8 verbindet den ersten Wellenzapfen 5 mit dem zweiten Wellenzapfen 5'. Ein zweites Verbindungsglied 81 verbindet den dritten Wellenzapfen 5" mit dem vierten Wellenzapfen 5"'. Vorzugsweise ist jeweils ein Paar benachbarter Wellenzapfen undA first, second, third and fourth extension 7 to 7 "', which are preferably designed in the shape of a stem, each extend rigidly or in one piece from the large ends 3 to 3"' of the connecting rods 2 to 2 "'with orientation according to the axis of FIG respective connecting rods in the opposite direction, as shown in Fig. 2A. At the outer ends of the extensions 7 to 7 "'bearings 4 to 4"' are attached to which a first, second, third and fourth shaft journal 5 until 5 "'is stored. A first connecting member 8 connects the first shaft journal 5 to the second shaft journal 5 '. A second connecting link 8 1 connects the third shaft journal 5 "to the fourth shaft journal 5"'. Preferably there is a pair of adjacent shaft journals and
130GU/1031130GU / 1031
das dazugehörige Verbindungsglied Z-förrnig angeordnet.the associated link is arranged in a Z-shape.
Ein erstes und zweites Ausgleichsgewicht 6, 6' ist jeweils an einem Zwischenbereich des ersten und zweiten Verbindungsglieds 8 bzw. 81 befestigt. Vorzugsweise ist jedes der Ausgleichsgewichte im Mittelpunkt des jeweiligen Verbindungsglieds in Lage gebracht. Diese Ausgleichsgewichte 6, 6' und Verbindungsglieder 8, 81 sollten derart angeordnet und ausgebildet sein, daß sie die Drehbewegung der Kurbelwelle 9 nicht stören.A first and a second counterweight 6, 6 'are each attached to an intermediate region of the first and second connecting links 8 and 8 1 , respectively. Preferably, each of the counterweights is positioned at the center of the respective link. These counterweights 6, 6 ' and connecting links 8, 8 1 should be arranged and designed in such a way that they do not interfere with the rotational movement of the crankshaft 9.
Zusätzlich ist an vorbestimmten Bereichen der Kurbelwelle 9 ein erstes, zweites, drittes und viertes Gegengewicht 11 bis 11"' vorgesehen, um die Drehbewegung der Kurbelwelle auszugleichen. In addition, there are first, second, third and fourth counterweights 11 to 14 at predetermined areas of the crankshaft 9 11 "'provided to compensate for the rotational movement of the crankshaft.
Wenn im Betrieb die Kurbelwelle 9 eine Umdrehung ausführt, bewegen sich die Ausgleichsgewichte 6, 6' zweimal im wesentlichen in der vertikalen Richtung hin und her. Sofern die Massen der Ausgleichsgewxchte 6, 6' geeignet gewählt sind, kann die durch die sich hin und her bewegenden Ausgleichsgewxchte hervorgerufene unausgeglichene Kraft dazu verwendet werden, die durch die sich hin und her bewegenden Massen des Motors hervorgerufene unausgeglichene Kraft auszugleichen.When the crankshaft 9 rotates during operation, the balance weights 6, 6 'move essentially twice back and forth in the vertical direction. If the masses of the compensating weights 6, 6 'are suitably selected, can the unbalanced force caused by the moving compensating weights are used to to compensate for the unbalanced force caused by the reciprocating masses of the motor.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2B wird nun erläutert, wie die Massen der Ausgleichsgewichte 6, 61 zu wählen sind:With reference to Fig. 2B it will now be explained how the masses of the balance weights 6, 6 1 are to be selected:
Die durch ihre sich hin und her bewegenden Massen hervorgerufene unausgeglichen Kraft F der Motoranordnung kann durch die oben angegebene Gleichung (1) ausgedrückt werden, das heißt:The unbalanced force F of the motor assembly caused by their reciprocating masses can be caused by the Equation (1) given above can be expressed, that is:
F = 4mrw2 ψ C9 cos 2ηθ m n=1 /n F = 4mrw 2 ψ C 9 cos 2ηθ m n = 1 / n
1300U/10311300U / 1031
'2 - λ τ .3 τ
, 1 4λ 3 '2 - λ τ .3 τ
, 1 4λ 3
4 ~ 3 5 * * * '
4λ 16λ4 ~ 3 5 * * * '
4λ 16λ
m = sich hin und her bewegende Masse pro Zylinder; r = Kurbelradiusm = reciprocating mass per cylinder; r = crank radius
w = Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit Q = Kurbelwinkel bezüglich des oberen Totpunktesw = crankshaft angular speed Q = crank angle with respect to top dead center
eines zweiten oder dritten Zylinders, 1 = effektive Länge jeder Pleuelstange, das heißt dieof a second or third cylinder, 1 = effective length of each connecting rod, i.e. the
Entfernung zwischen den Mittellinien der Kolben-Distance between the center lines of the piston
anlenkbolzen und der kurbelwellenseitigen Pleuel-pivot pin and the crankshaft-side connecting rod
stangenendlager; und
χ = l/r, das Pleuelstangenverhältnis darstellt,rod end bearings; and
χ = l / r, which represents the connecting rod ratio,
das normalerweise zwischen 2 und 4 liegt.which is usually between 2 and 4.
Da bei einer einmaligen Umdrehung der Kurbelwelle 9 sich die Ausgleichsgewichte 6, 61 zweimal in der vertikalen Richtung hin und her bewegen, kann die durch die sich hin und her bewegenden Ausgleichsgewichte hervorgerufene unausgeglichene Kraft FM durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:Since the counterweights 6, 6 1 move back and forth twice in the vertical direction when the crankshaft 9 rotates once, the unbalanced force F M caused by the counterweights moving back and forth can be expressed by the following equation:
FM = -2rw2 γΜ°Σ C9 cos 2ηθ ... (2) ,F M = -2rw 2 γΜ ° Σ C 9 cos 2ηθ ... (2),
j. n=1j. n = 1
L = effektive Länge der stielartigen Verlängerung, das heißt der Abstand zwischen den Mittellinien von je einer kurbelwellenseitigen Pleuelstangenlauffläche und dem damit verbundenen Lager, undL = effective length of the stem-like extension, i.e. the distance between the center lines each of a crankshaft-side connecting rod contact surface and the associated one Warehouse, and
M = Masse der Ausgleichsgewichte 6, 6".M = mass of the counterweights 6, 6 ".
Folglich kann die Gleichgewichtsbedingung der Motoranordnung und der Ausgleichsgewichte wie folgt dargestellt werden:Consequently, the equilibrium condition of the motor arrangement and the balance weights can be represented as follows:
1300U/10311300U / 1031
_n_ 303174A_ n _ 303174A
Die Gleichung (3) kann umgeformt werden in:The equation (3) can be transformed into:
2rw2 ^ C9 cos2n9(2m - yM) =0 ... (4). n=1 ^n ± .2rw 2 ^ C 9 cos2n9 (2m - yM) = 0 ... (4). n = 1 ^ n ±.
Folglich kann der völlige Gleichgewichtszustand der Mptoranordnung und der Ausgleichsgewichte erhalten werden, wenn die Masse M der Ausgleichsgewichte 6, 6' wie folgt gewählt wird:As a result, the complete equilibrium of the motor arrangement and the balance weights are obtained if the mass M of the balance weights 6, 6 'is chosen as follows:
M = 2 ^m : (5).M = 2 ^ m: (5).
In diesem Fall kann die durch die sich hin und her bewegenden Massen der Motoranordnung hervorgerufene unausgeglichene Kraft F vollständig nicht nur bezüglich ihrer Komponenten zweiter Ordnung, sondern auch bezüglich aller weiteren Komponenten ausgeglichen werden.In this case, the unbalanced force caused by the reciprocating masses of the motor assembly can F completely not only with regard to its second-order components, but also with regard to all further components be balanced.
Bei der Erfindung kann jede unausgeglichene Kraft der Motoranordnung, die durch deren sich hin und her bewegende Massen hervorgerufen wird, vollständig in der vertikalen Richtung ausgeglichen werden, wenngleich der Motorkörper selbst nicht abgeändert wird. Es ist unnötig, einen besonderen Mechanismus zum Ausgleich der Komponenten zweiter Ordnung der unausgeglichenen Kraft vorzusehen, wie etwa die in der bekannten Ausgleichsvorrichtung verwendeten Ausgleicher und Mittel zur Kraftübertragung. Die erfindungsgemäße Ausgleichsvorrichtung kann derart konstruiert werden, daß sie einen einfachen Aufbau besitzt, während die Ursache von Motorschwingungen und Motorgeräuschen wirkungsvoll beseitigt wird.In the invention, any unbalanced force of the motor assembly, caused by their reciprocating masses, completely balanced in the vertical direction although the engine body itself is not modified. There is no need for a special mechanism to compensate for the second order components of the unbalanced force, such as that in the known balancer used equalizers and means of power transmission. The compensating device according to the invention can be designed to have a simple structure while causing engine vibration and engine noise is effectively eliminated.
Wenngleich im einzelnen eine spezielle Ausführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben worden ist, kann die Erfindung auf andere Weise ausgeführt werden, ohne deren Prinzip oder wesentlichen Charakter zu verlassen. Während beispielsweise in der dargestellten Ausführungsform die Ausgleichsvorrichtung nur auf einen Vierzylinder-Reihen-Viertakt-Kraftfahrzeugmotor angewendet worden ist, kann sie auch auf einen Zweizylinder-While a particular embodiment of the invention has been shown and described in detail, the Invention can be carried out in other ways without departing from its principle or essential character. While for example In the embodiment shown, the balancing device is only applied to a four-cylinder in-line four-stroke motor vehicle engine has been applied, it can also be applied to a two-cylinder
130014/1031130014/1031
Zweitaktmotor angewendet werden, ebenso wie ganz allgemein auf eine Pumpe, einen Kompressor und andere Ko lbenitia schinen.Two-stroke engine are applied, as well as in general to a pump, a compressor and other Ko lbenitia machines.
1 300U/10311 300U / 1031
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