DE3102154A1

DE3102154A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3102154A1
Application number: DE19813102154
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: Motorenfabrik Hatz GmbH and Co KG
Current assignee: Motorenfabrik Hatz GmbH and Co KG
Priority date: 1981-01-23
Filing date: 1981-01-23
Publication date: 1982-08-12
Also published as: FR2498703B1; GB2091813A; FR2498703A1; JPS57177442A; JPS6330536B2; US4386589A; DE3102154C2; IT1200557B; IT8125661A0; GB2091813B

Description

Η—68

Brennkraftmaschi η e

Die Erfindung bezieht sich auf eine einzylindrige Brennkraftmaschine mit Kurbelwelle, Pleuelstange und Kolben, sowie mit

einer Gegengewicht-Anordnung zum Ausgleich der aus den rotie-Massen resultierenden Fliehkräfte und der aus; renden \i oszillierenden Massen der Maschinenelemente resultierenden Fliehkräfte 1.Ordnung.

Bei bekannten Brennkraftmaschinen dieser Art verwendet man außer den auf der Kurbelwelle befestigten Gegengewichten noch

zueinander,-zusätzliche, von der Kurbelwelle angetriebene und im Gegensinn ' sich drehende Ausgleichsgewichte, um einen Ausgleich der oszillierenden Fliehkräfte zu erreichen. Man ordnet dabei die Ausgleichsgewichte meist unterhalb oder seitlich neben der Kurbelwelle an, um ihre Bewegungsbahn außerhalb des Bewegungskreises der Kurbelwelle bzw. der Pleuelstange zu halten.

Die Anordnung der Ausgleichsgewichte unterhalb der Kurbelwelle erfordert jedoch eine Tieferlegung des Kurbelgehäuses, damit die Ausgleichsgewichte nicht in das dort befindliche Schmieröl eintauchen müssen. Diese Anordnung ist infolge der damit verbundenen Erhöhung der Maschinen-Baugröße nachteilig. Auch die zum Antrieb der Ausgleichsgewichte dienende Getriebekette ist infolge der Tieferlegung verwickelter.

Die Anordnung der Ausgleichsgewichte seitlich neben der Kurbelwelle führt zwangsläufig zu einer beträchtlichen Verbreiterung des Kurbelgehäuses und ist somit wegen der Vergrößerung der Maschinen-Baugröße ebenfalls nachteilig.

Es wurden deshalb auch Anordnungen vorgeschlagen, die um den Kurbelwellen-Pleuellagerzapfen umlaufende Ausgleichsgewichte anwenden. Solche Ausgleichsanordnungen sind jedoch im Aufbau besonders verwickelt und erfordern außerdem eine beträchtliche Verlängerung der Kurbelwelle bzw. ihres Pleuellagerzapfens in axialer Richtung, was wiederum sehr nachteilig ist.

Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, die geschilderten Nachteile der bekannten Bauarten zu beseitigen und eine Ausgleichsanordnung zu schaffen, die sowohl eine vollständige Eliminierung der per se bekannten unerwünschten Wirkungen aus den Massenkräften I.Ordnung gewährleistet, als auch einen kompakten Aufbau der Anordnung unter Verwendung von Minimum an Aufbauelementen erlaubt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst , daß mit der Kurbelwelle unmittelbar oder mittelbar Ausgleichsgewichte verbunden sind, die neben der zum Ausgleich der rotierenden Fliehkräfte erforderlichen Unwuchtmasse noch zusätzlich die Hälfte der zum Ausgleich der

1.Ordnung

oszillierenden Fliehkräfte/erforderlichen Unwuchtmasse aufweisen, und daß zwei von der Kurbelwelle angetriebene und zu ihr parallele Ausgleichswellen vorgesehen sind, die in gleichem Drehsinn zueinander, aber im Gegensinn zur Kurbelwelle laufen, wobei ,iede von diesen Wellen ein weiteres Ausgleichsgewicht trägt, das ein Viertel der zum Ausgleich der

1.Ordnung
oszillierenden Fliehkräfte/erforderlichen Unwuchtmasse darstellt,

Eine axial sehr gedrungene Kurbelwelle und folglich auch eine trotz verwendeter Ausgleichsgewichte raumgedrängte Gestaltung der Brennkraftmaschine erreicht man nach einem weiteren Erfindungsmerkmal dadurch, daß .jofio AufikT eichawel Io n:in Arup;] ο i ohe-

gewicht trägt, das mit in der Kurbelwelle vorgesehenen Ausnehmungen derart zusammenarbeitet, daß während der Drehbewegung der Kurbelwelle ihre Ausnehmungen abwechselnd an jedem Ausgleichsgewicht an den beiden Ausgleichswellen vorbeigehen. Hierbei werden in vorteilhafter Weise die Ausnehmungen zwischen Kurbelwellen-Hauptlager und Kurbelwellen-Pleuellager angeordnet.

Bei dieser Anordnung wird voller Ausgleich der Massenkräfte I.Ordnung erreicht. Um auch Momente aus diesen Kräften ausgleichen zu können, muß die Größe und Richtung der unmittelbar oder mittelbar auf der Kurbelwelle sitzenden Ausgleichsgewichte und ihre Entfernung zur Zylinderachse so bemessen sein, daß deren resultierendes Moment in Bezug auf Zylinderachse Null ist.

Zu dem noch erforderlichen Ausgleich der Momente aus den Massenkräften an den beiden Ausgleichswellen wird jedes Ausgleichsgewicht, an dem die Ausnehmung der Kurbelwelle vorbeiläuft, in seiner Größe so bestimmt und auf jeder Ausgleichswelle außerhalb der Kurbelwellen-Kröpfung ein Zusatz-Ausgleichsgewicht in der Weise angeordnet, daß es auf der Ausgleichswelle entgegen dem Ausgleichsgewicht wirkt und dabei das aus diesen beiden Ausgleichsgewichten in Bezug auf die Zylinderachse resultierende Moment auf Null bringt.

Beim Aufbau der erfindungsgemäß gestalteten Ausgleichsanordnung wird man auch darauf besonders achten, daß durch die Anbringung der Unwuchtmassen auf der Kurbelwelle ihre Abmessungen und ihr Gewicht nicht übermäßig ansteigen. Bei einer in dieser Hinsicht vorteilhaften Ausgestaltung wird man deshalb für Maschinen, die mit einem von der Kurbelwelle angetriebenen Schwungrad

ausgerüstet sind, die Anordnung in der Weise treffen, daß die mit der Kurbelwelle verbundene und zum Ausgleich erforderliche Unwuchtmasse aus einem unmittelbar mit der Kurbelwelle verbundenen Ausgleichsgewicht und aus mindestens einem weiteren Ausgleichsgewicht besteht, das an dem mit der Kurbelwelle mittelbar verbundenen Schwungrad angeordnet ist. Dabei läßt sich die Unwuchtmasse des mit der Kurbelwelle unmittelbar verbundenen Ausgleichsgewichtes besonders klein halten, wenn der zum vollen Ausgleich noch erforderliche Unwuchtmassen-Restanteil durch Vergrößerung des am Schwungrad angelegten weiteren Ausgleichsgewichtes ersetzt wird. Da man den Unwuchtmassen-Anteil am Schwungrad in einfacher Weise durch eine oder mehrere Ausbohrungen in seinem Bereich bilden kann, bleibt hier eine raumgedrängte Schwungrad-Gestaltung erhalten.

Nach einem anderen Erfindungsmerkmal besteht die Unwuchtmasse des am Schwungrad angelegten Ausgleichsgewichtes aus einen größeren Gewicht und einem kleineren Gewicht, welche Gewichte zusammen mit dem Ausgleichsgewicht an der Kurbelwelle in Größe, Richtung und ihrer Entfernung zur Zylinderachse so bemessen sind, daß der vorstehend erwähnte volle Kräfte- und Moment-Ausgleich sichergestellt ist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, das Getriebe für die Ausgleichswellen mit geringster Anzahl von Aufbauelementen gestalten zu können. Zu diesem Zweck ist auf der Kurbelwelle ein Antriebszahnrad angebracht, das unmittelbar mit je einem Gegenrad auf jeder der beiden Ausgleichswellen zusammenarbeitet.

Eine weitere Vereinfachung im Getriebe-Aufbau erreicht man, wenn mit dem Antriebszahnrad auf der Kurbelwelle auch ein zum Antrieb der Ventil-Steuerwelle dienendes Gegenrad zusammenarbeitet.

In der nachstehenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Brennkraftmaschine im Querschnitt,

Fig. 2 einen Längsschnitt nach Linie I-I mit eingefügtem Teilschnitt nach Linie II-II der Fig.1,

Fig. 3-7 einige Relatiystellungen der Kurbelwelle zu den Ausgleichsgewichten an Ausgleichswellen,

Fig. 8 die in Ansicht mit teilweisem Schnitt dargestellte Kurbelwelle im vergrößerten Maßstab, und

Fig. 9 einen Querschnitt der Kurbelwelle nach Linie III-III der Fig.8.

Im Ausführungsbeispiel ist eine einzylindrige, luftgekühlte Brennkraftmaschine dargestellt. Cie umfaßt ein Kurbelgehäuse 10, einen Zylinder 12, einen Zylinderkopf 14 und einen Zylinderkopfdeckel 16. Diese Aufbauelemente sind mit Hilfe von nicht dargestellten Schrauben miteinander fest verbunden. Der im Zylinder 12 hin-und hergehende Kolben 18 ist über eine Pleuelstange 20 mit der Kurbelwelle 22 in bekannter Weise gekuppelt, die im Kurbelgehäuse 10 gelagert ist.

Auf der Kurbelwelle 2?. ist ein Schwungrad ,''/+ befestigt, das in vorliegendem Falle als Gebläserad eines Kühlluft-Gebläses p;eskältet ist und die Kühlluft durch einen Leitkanal 26 gegen den Zylinder 12 und Zylinderkopf 14- fördert. Die der Maschine abgewendete Stirnseite des Schwungrades 24- kann in bekannter Weise zum Antrieb von Aggregaten benutzt werden.

Es ist bekannt, daß während des Betriebes einer Hubkolben-Brennkraftmaschine am Kurbel triebwerk Massenkrnfte auftreten, die durch eine Ausgleichsanordnung abgefangen werden müssen, um nicht als freie Kräfte oder Momente auf das Maschinenfundament einwirken und unerwünschte Schwingungen oder Erschütterungen erzeugen zu können. Zu Massenkräften sind zu zählen: die Massenkraft umlaufender (rotierender) Maschinenelemente (wie Kurbelschenkel, Kurbelzapfen,rotierender Anteil der Pleuelstange ) sowie Massenkraft hin-und hergehender (oszillierender) Maschinenelemente (wie Kolben, oszillierender Anteil von Pleuelstange ).

Die Massenkraft aus den rotierenden Elementen tritt auf als umlaufende, gleichbleibende und stets nach außen wirkende Fliehkraft (Frot), deren Größe sich aus der Formel ergibt

Frot * ^mrot*^ * ^r (N) wobei ^m _ro+. die Masse der rot.Elemente,

Q die Winkelgeschwindigkeit, r der Kurbelradius bedeuten.

Die Massenkraft der oszillierenden Elemente ist eine stets in Zylinderachse wirksame, periodisch veränderliche Fliehkraft.

maximale in der I.Ordnung
Ihre'Größe·ergibt sich nach der Formel

Fosz = ra „„.£> . r (N) wobei m___ die Masse der osz.Elemente,

_ω die Winkelgeschwindigkeit, r der Kurbelradius bedeuten.

Nach Fig. 1 und 2 befindet sich der Kolben 18 im OT und die nach oben wirkenden Fliehkräfte sind in Fig. 2 als zwei mit Pfeilen gekennzeichnete, in der Zylinderachse liegende Größen Frot und Fosz eingetragen. Wenn ein vollständiger Ausgleich der unerwünschten Wirkungen aus den Massenkräften I.Ordnung erreicht werden soll, dann muß mit Hilfe der Ausgleichsanordnung eine

entgegengerichtete Kraft gleicher Größe erzeagt werden. Es dürfen dabei auch keine freien Momente, insbesondere um wagrechte Achse erzeugt werden.

Die erfindungsgemäß gestaltete Ausgleichsanordnung umfaßt deshalb ein an der linken Kurbelwellen-Wange angebrachtes Gewicht G1, dessen Fliehkraft mit einem Pfeil in Fig.2 angedeutet ist. Außerdem sind am Schwurg?ad 2M- zwei weitere Gewichte G2 und G3 angebracht, deren Fliehkräfte als Pfeile F2 und F3 angedeutet sind. (Die in der Zeichnung strichpuktiert eingetragenen Ausgleichsgewichte G2 und G3 werden in Wirklichkeit dargestellt durch an entgegengesetztem Bereich des Schwungrades 24 vorgesehene Ausbohrungen B2 und B3-)

Die Anordnung ist dabei in der Weise getroffen, daß die mit der Kurbelwelle 22 unmittelbar oder mittelbar verbundenen Ausgleichsgewichte G1,G2,G3 neben der zum Ausgleich der rotierenden Massenkräfte Frot erforderlichen Unwuchtmasse noch zusätzlich die Hälfte (1/2 Fosz) der zum Ausgleich erforderlichen oszillierenden Größe Fosz darstellen. (Die andere Hälfte von Fosz wird mit Hilfe einer später beschriebenen weiteren Ausgleichsanordnung erreicht.) Dabei muß gewährleistet sein: 1/2 Fosz+ Frot = F1 + F2 - F3 bzw. 1/2 Fosz+Frot-F1-F2+F3 - 0 (i/2 Fosz + Frot) .0 = F1.e + F2.f -F3.g » 0 Als e,f,g sind Hebelarme bzw. Entfernungen der Gewichte G1,G2,G3 zur Zylinderachse in der Zeichnung eingetragen.

Wie vorstehend erwähnt wird die zweite Hälfte von Fosz mittels einer weiteren Ausgleichsanordnung erreicht, die zwei gleiche Ausgleichswellen 28 umfaßt, deren jede im Kurbelgehäuse 10 und einem Lagerdeckel 30 in gleichem Abstand und parallel zur Kurbel-

welle 22 gelagert ist. Im Darstellungsfalle liegen daher die Wellen 22 und 28 in einer Ebene.

Ein auf der Kurbelwelle 22 festsitzendes Antriebsrad 32 greift in ein Gegenrad 34 auf jeder Ausgleichswelle 28 ein und treibt somit die beiden Wellen 28 in gleichem Drehsinn zueinander, jedoch im Gegensinn zur Kurbelwelle 22 an. Das Antriebsrad 32 auf der Kurbelwelle 22 greift noch in ein weiteres Gegenrad 36 ein, das auf einer Steuerwelle 38 festsitzt, deren Nocken zum Antrieb der die Ventil-Kipphebel betätigenden Stössel 40 dient.

Auf jeder Ausgleichswelle 28 ist ein Ausgleichsgewicht G4 angebracht, welches in den Kurbel-Rotationsbereich zwischen dem rechten Hauptlager und dem Pleuellager der Kurbelwelle 22 hineinragt. Um diesen Eingriff zu ermöglichen, sind an der Kurbelwelle 22 in ihrem rechten Schenkel eine innere Ausnehmung 22a und eine äußere Ausnehmung 22b eingearbeitet. Bei Drehbewegungen der Kurbelwelle 22 laufen diese Ausnehmungen 22a und 22b abwechselnd an beiden Ausgleichsgewichten G4· vorbei. Auf diese Weise können die Drehbewegungen der Gewichte G4 und die Drehbewegung der Kurbelwelle 22 ohne gegenseitige Behinderung ablaufen, wie die Betriebsstellungen der genannten Elemente nach Fig. 3-7 erkennen lassen.

Jede Ausgleichswelle 28 trägt noch an dem dem Deckel 30 zugewandten Ende ein kleineres Zusatz-Ausgleichsgewicht G5, welches auf der Ausgleichswelle 28 dem größeren Gewicht G4 entgegenwirkt und dessen Moment ausgleicht.

Der Ausgleich der zweiten Hälfte von Fosz wird dabei sowohl bezüglich Massenkräfte als auch Momente sichergestellt, wenn die Gleichungen erfüllt sind:

1/2 Jj¹OSZ - ;.' (Ι''4 - F¹;) oder 1/2 Fosz + ?.W<y - 2F4 (1/2 Fosz) . O = 2 (m.h - P5.i) = 0 Auch hier sind h und i als Hebelarme bzw. Entfernungen der Gewichte G4- und G5 zur Zylinderachse anzusetzen.

Bei der beschriebenen Anordnung der Ausgleichsgewichte G1,G2,G3 und G4-,G5 und ihrer aufgezeigten Berechnung erreicht man eine Ausgleichsanordnung, die bei gedrungener Gestaltung der Kurbelwelle und folglich auch raumgedrängter Bauart der Maschine einen vollen Ausgleich der Massenkräfte I.Ordnung und deren Momente gewährleistet.

Es sei noch erwähnt, daß man bei Brennkraftmaschinen, deren Massenkräfte und Momente nicht voll ausgeglichen sein müssen, die beiden Ausgleichswellen28 mit Gewichten G4 und G5 einfach weglassen wird, während die übrigen Aufbauelemente in ihrer beschriebenen Gestalt beibehalten werden.So ergibt sich eine Grundtype der Maschine mit Elementen;Kurbelwelle 22 mit Gewicht G1

^rbelgehäuse 10 und Lagerdeckel 30/

sov/ie Schwungrad 24· mit Gewichten G2 und G3 sowieVmit Lagerbohrungen für Elemente 28. Diese Grundtype ist nicht voll ausgeglichen, sie kann aber im Bedarfsfälle durch einfaches Hinzufügen der beiden Ausgleichswellen mit Gewichten G4- und G5 in die bereits vorhandenen Lagerbohrungen in eine vollständig ausgeglichene Maschinen-Type aufgestockt werden. Diese Aufstockungsmöglichkeit führt zu einer wesentlichen fertigungstechnischen Vereinfachung und somit zu einer besonders wirtschaftlichen Herstellung der Maschine.

Abschließend soll noch darauf hingewiesen werden, daß in bestimmten Betriebsfällen die beiden Zusatz-Ausgleichsgewichte G5

weggelassen werden können, weil die beiden verbleibenden Ausgleichsgewichte G^, dLe mit den Ausnehmungen an der Kurbelwelle zusammenarbeiten, so nahe an die Zylinderachse herangerückt sind, daß das nach Wegfall der Gewichte G5 verbleibende Moment sehr gering ist und in der Praxis vernachlässigt werden kann.

Claims

Motorenfabrik Hata···*··" *·.* .:. *..* .:. Ruhstorf, den 20.01.1981 GmbH & Go.KG H-68

Ernst-Hatz-Str. 16
8399 Ruhstorf

Patentansprüche ;

Λ i Einzylindrige Brennkraftmaschine mit Kurbelwelle, Pleuelstange und Kolben, sowie mit einer Gegengewicht-Anordnung, die zum Ausgleich der aus rotierenden Massen resultierenden Fliehkräfte und aus oszillierenden Massen der Maschinenelemente resultierenden Fliehkräfte I.Ordnung dient,dadurch gekennzeichnet, daß mit der Kurbelwelle (22) unmittelbar oder mittelbar Ausgleichsgewichte (G1,G2,G3) verbunden sind, die neben der zum Ausgleich der rotierenden Fliehkräfte (Frot) erforderlichen Unwuchtmasse noch zusätzlich die Hälfte (1/2 Fosz) der zum Ausgleich der oszillierenden Fliehkräfte I.Ordnung (Fosz) erforderlichen Unwuchtmasse besitzen, und daß zwei von der Kurbelwelle (22) angetriebene und zu ihr parallele Ausgleichswellen (28) vorgesehen sind, die in gleichem Drehsinn zueinander, aber im Gegensinn zur Kurbelwelle laufen, wobei jede von diesen Ausgleichswellenein Ausgleichsgewicht (G4-,G5) trägt, das ein Viertel (1/4 Fosz) der zum Ausgleich der oszillierenden Fliehkräfte I.Ordnung (Fosz) erforderlichen Unwuchtmasse darstellt.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Ausgleichswelle (28) ein Ausgleichsgewicht (G4-) trägt, das mit in der Kurbelwelle (22) vorgesehenen Ausnehmungen (22a,22b" derart zusammenarbeitet, daß während der Drehbewegung der Kurbelwelle ihre Ausnehmungen abwechselnd an jedem Ausgleichsgewicht (G4-) der beiden Ausgleichswellen (28) vorbeigehen.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (22a,22b) zwischen Kurbelwellen-Hauptlager und KurbelwellertPleuellager angeordnet sind.
4·. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Ausgleichswelle (28) außerhalb der Kurbelwellen-Kröpfung ein Zusatz-Ausgleichsgewicht (G5) angeordnet ist, welches auf der Ausgleichswelle entgegen dem Ausgleichsgewicht (G4·) wirkt und dessen Moment in Bezug auf Zylinderachse ausgleicht.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, mit einem von der Kurbelwelle angetriebenen Schwungrad, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Kurbelwelle (22) verbundene und zum Ausgleich erforderliche Unwuchtmasse aus einem unmittelbar mit der Kurbelwelle verbundenen Ausgleichsgewicht (G1) und mindestens einem weiteren Ausgleichsgewicht (G2) besteht, das an dem mit der Kurbelwelle mittelbar verbundenen Schwungrad (24) angeordnet ist.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Unwuchtmasse des mit der Karbellwelle (22) unmittelbar verbundenen Ausgleichsgewichtes (G1) klein haltbar ist, wenn der zum vollen Ausgleich noch erforderliche Unwuchtmassen-Restanteil durch Vergrößerung des am Schwungrad (24) angelegten weiteren Ausgleichsgewichtes (G2) dargestellt wird.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß am Schwungrad (24·) ein weiteres Ausgleichsgewicht (G3) ange-

^G2>

legt ist, welches den Ausgleichsgewichte^G1 ,!entgegenwirkt

resultierende
und das/Moment in Bezug auf Zylinderachse ausgleicht.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Kurbelwelle (2λ>) ein Autriebszahnrad (32) angebracht ist, das mit je einem Gegenrad ($4) auf jeder der Ausgleichswellen (28) zusammenarbeitet.

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9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer zum Antrieb der Ventile dienenden Steuerwelle (38) ein Gegenrad (36) angebracht ist, das ebenfalls mit dem Antriebszahnrad (32) auf der Kurbelwelle (22) zusammenarbeitet.