DE3141025A1

DE3141025A1 - Massenausgleichsmechanismus fuer vierzylinder-verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE3141025A1
Application number: DE19813141025
Authority: DE
Inventors: Kazuo Kakogawa Hyogo Shimada
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1980-10-17
Filing date: 1981-10-15
Publication date: 1982-06-03
Also published as: IT8124550A0; GB2088481A; JPS5769137A; IT1140226B

Description

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KAWASAKI JUKOGYO ,K.ϊξ.

Kobe (Japan) \

Massenausgleichsmechanismus für Vierzylinder-Verbrennungsmotoren

Die Erfindung betrifft einen Massenausgleichsmechanismus für Vierzylinder-Verbrennungsmotoren, insbesondere zum Ausgleich der primären und der sekundären Massenkraft und des primären und des sekundären Trägheitsmoments.

In üblichen Viertaktmotoren mit vier Zylindern ist die Kurbelwelle so ausgebildet, daß sich die Kolben des ersten und vierten Zylinders gleichphasig und die Kolben des zweiten und dritten Zylinders mit einem Phasenabstand von 180 Grad von den Kolben des ersten und vierten Zylinders bewegen. In Motoren dieser Art kann man das.primäre und das sekundäre Trägheitsmoment und die primäre Massenkraft ausgleichen, aber nicht die sekundäre Massenkraft. Zur Beseitigung der sekundären Massenkraft ist in der japanischen Auslegeschrift 5 4-17882 vorgeschlagen worden, zwei Massenausgleichswellen vorzusehen, die gegensinnig zueinander mit der doppelten Drehzahl der Kurbelwelle des Motors gedreht werden. Bei Wahl geeigneter Massen und Phasen!agen der Massenausgleichsgewichte kann man dann die primäre und die sekundäre Massenkraft und das primäre und das sekundäre Trägheitsmoment ausgleichen.

Die vorgeschlagene Anordnung hat jedoch den Nachteil , daß die sehr hohe Drehzahl der Massenausgleichswellen zu

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einer nur kurzen Standzeit der Lager und zu einer starken mechanischen Geräuschentwicklung führt» Ferner sind für den Antrieb der zueinander gegensinnig laufenden Massenausgleichswellen komplizierte Mechanismen erforderlich und ist es schwierig, den für die Unterbringung dieser Antriebsmechanismen erforderlichen Raum zu schaffen. Da die" Massenausgleichswellen relativ zueinander und zu der Kurbelwelle in einer bestimmten geometrischen Lage angeordnet sein müssen, ist die Freiheit des Konstrukteurs stark eingeschränkt.

Daher hat die Erfindung die Aufgabe, für Viertaktmotoren mit vier Zylindern einen Massenausgleichsmechanismus zu schaffen, der einen Ausgleich der primären und der sekundären Massenkraft und des primären und des Trägheitsmoments mit einer einzigen Massenausgleichswelle ermöglicht, die mit derselben Drehzahl angetrieben wird wie die Kurbelwelle des Motors.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Massenausgleichsmechanismus, bei dem hinsichtlich der Geräuschentwicklung und der Lebensdauer der· Lager im wesentlichen keine Schwierigkeiten auftreten.

Schließlich besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Schaffung eines für einen Motor bestimmten Massenausgleichsmechanismus, bei dem der Antriebsmechanismus für die Massenausgleichswelle weniger Raum beansprucht als in den üblichen Anordnungen.

Gemäß der Erfindung besitzt zur Lösung dieser und anderer Aufgaben ein Vierzylinder-Verbrennungsmotor einen ersten, zweiten, dritten und vierten Zylinder, die in dieser Reihenfolge hintereinander angeordnet sind und in denen ein erster, zweiter, dritter bzw. vierter Kolben hin- und herbewegbar angeordnet ist, ferner eine Kurbelwelle, die über je ein Pleuel mit den Kolben verbunden und in einer Richtung drehbar und so ausgebildet ist, daß sich der zweite, dritte und vierte Kolben gegenüber dem ersten Kolben mit einem Phasenabstand von 90, 270 bzw. 180 Grad bewegt, eine parallel zur Kurbelwelle angeordnete Massenausgleichswelle, eine An-

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triebseinrichtung zum Antrieb der Massenausgleichswelle mit derselben Drehzahl wie die Kurbelwelle, aber gegensinnig zu dieser, eine dem ersten und dem zweiten Zylinder zugeordnete, erste Massenausgleichsgewichtsanordnung und eine dem dritten und dem vierten Zylinder zugeordnete,, zweite Massenausgleichsgewichtsanordnung. Bei Viertaktmotoren findet die Verbrennung in dem ersten, zweiten, dritten und vierten Zylinder vorzugsweise in dieser Reihenfolge statt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen ausführlich beschrieben. In diesen zeigt

Figur 1 schematisch in einer Schrägansicht einen Vierzylinder-Motor mit einem Massenausgleichsmechanismus gemäß der Erfindung,

Figur 2 schematisch in einer Stirnansicht den"Motor gemäß der Figur 1,

Figur 3 in einem Diagramm die Zündfolge in den Zylindern des Motors und

Figur 4 schaubildlich mit weggeschnittenen Teilen einen gemäß der Erfindung ausgebildeten Motor.

Der in Figur 1 dargestellte Motor besitzt einen ersten, zweiten, dritten und vierten Zylinder 21a, 21b, 21c, und 21d, in denen je ein Kolben 22a, 22b, 22c bzw. 22d hin- und herbewegbar angeordnet ist. Der Mittenabstand zwischen dem ersten und dem vierten Zylinder 21a und 21d beträgt 2a. Der Mittenabstand zwischen dem zweiten und dem dritten = Zylinder 21b und 21c beträgt 2b. Der Motor besitzt ferner eine Kurbelwelle 10, deren Kurbelwangen 12a, 12b, 12c und 12d über je ein Pleuel 23a, 23b, 23c bzw. 23d der Länge/ mit je einem der Kolben 22a, 22b, 22c und 22d verbunden sind. Die Kurbelwelle 10 ist in der Richtung des Pfeils A drehbar« Die Kurbelwangen der Kurbelwelle 10 sind so ausgebildet, daß die Kurbelwangen 12a und 12d in derselben Ebene liegen und sich in Bezug auf die Drehachse 0 der Kurbelwelle in einander entgegengesetzten Richtungen erstrecken und daß die Kurbelwangen 12b und 12c in einer zu der Ebene der Kurbelwangen 12a und 12d rechtwinklig«"·!)

Ebene liegen und sich ebenfalls in einander entgegengesetzten Richtungen erstrecken. Die Kurbelwange 12b eilt gegenüber der Kurbelwange 12a mit einem Phasenwinkel von 9 0 Grad vor. Die Kurbelwange 12c eilt gegenüber der Kurbelwange 12d mit einem Phasenwinkel von 90 Grad vor. Wenn sich der Kolben 22a in dem Zylinder 21a an seinem oberen Totpunkt befindet, entsprechen daher die Stellungen der Kolben 22b, 22c und 22d in den Zylindern 21b, 21c bzw. 2Id Drehwinkeln der Kurbelwelle 10 von 90, 270 bzw. 180 Grad. Die Orientierungen der Kurbelwangen sind in der Figur 2 dargestellt.

Der Motor besitzt ferner eine Massenausgleichswelle 11, die zu der Kurbelwelle 10 parallel ist und deren Drehachse OB von der Kurbelwellenachse O einen Horizontalabstand d und einen Vertikalabstand e hat. Die Massenausgleichswelle 11 ist mit der Kurbelwelle 10 beispielsweise durch ein Zahnräderpaar 23, 24 verbunden, das die Welle 11 mit derselben Drehzahl wie die Kurbelwelle 10, aber gegensinnig zu ihr dreht. Auf der Massenausgleichswelle 11 sind zwei Massenausgleichsgewichte 31, 32 angeordnet, die gegenüber der Achse OB der Welle 11 in einander diametral entgegengesetzten Richtungen versetzt sind. In der Figur 1 erkennt man, daß das Massenausgleichsgewicht 31 gegenüber der Vertikalmittelebene x-y zu dem ersten und dem zweiten Zylinder 21a, 21b hin um eine Strecket, axial versetzt ist und daß das Massenausgleichsgewicht 32 in der entgegengesetzten Richtung um eine Strecke x„ axial versetzt ist. Infolgedessen beträgt der Axialabstand der Massenausgleichsgewichte 31 und 32 /!, + £j. Das Gewicht 31 eilt gegenüber der Drehstellung der ersten Kurbelwange 12a mit einem Phasenwinkel S vor.

Die Massenkraft F und das Trägheitsmoment M, die in dem aus den Zylindern, den Kolben, den Pleueln und der Kurbelwelle bestehenden Mechanismus auftreten, kann man durch folgende Formeln angeben:

W F = "rec

N s

(1)

M= 2

^a(Wrot

- ^b(W

^{cos 9}

rot "^Wrec^{) sin 9}

, W cos θ + a W -sin θ b _rot rot

Dabei ist

W das Gesamtgewicht der hin- und hergehenden Teile W .das Äquivalentgewicht der rotierenden Teile

am Kurbelzapfen
g die Erdbeschleunigung
Y der Kurbelradius und
f-J die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle

In den vorstehenden Formeln ist angenommen, daß das primäre Trägheitsmoment des betrachteten Mechanismus wirksam ist.

Das von dem Massenausgleichsmechanismus erzeugte Moment M kann durch folgende Formel angegeben werden:

^WB · ^RB -

) cos (θ

) sin (Θ +f ) O .

Dabei ist

W das Gewicht jedes der Massenausgleichsgewichte 3 1 und

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R der Abstand des Schwerpunktes jedes Massenausgleichs-B ■

gewichts von der Achse OB.

Damit nun in dem Gesamtmechanismus das Trägheitsmoment ausgeglichen wird, muß folgende Bedingung erfüllt werden:

M + M_n = 0 ( 4)

B ■

Hinsichtlich des Moments um die X-Achse muß folgende Bedingung erfüllt sein:
W_B. R_B. ί/_η+£_ζ) cos (Θ +Jf)

-^2a Y ^(Wrot - ^Wrec» ^{cos ö}

+2b Y (WL. - WL ) sin 0 = 0 ' (5)

Man kann ** die Gleichung 5 auch wie folgt schreiben:

R_ß i&^-+J^) cos.J - 2a/ (W...,. - W )i- cos

B -7 Z

Von der Gleichung (6) kann man folgende Beziehungen ableiten:

W . R_n (JL>^ ~f-J- 5) COS₀J — 2a/ (W — W )=0 (7) W_B . R_B a^t_z) sin/ - 2b Γ (W_rot - W_rec) = O (8)

Hinsichtlich des Moments um die Y-Achse muß folgende Bedingung erfüllt sein:

W_B . R_B (/₇ +^2 ) sin (Θ +J )

+ 2b y W_rot cos θ + 2a^W_rotsin θ=. Ο (9)

Von der Gleichung (9) kann man folgende Beziehungen ableiten:

^^2b^rot^{=0 (10)}

■-■■·■ ■^:-^r" -' -^:- 3U1025

. R_B (Z₁-F^₂) cosy + 2a7"w_rot = O (11)

Aus den Gleichungen (7), (8), (10) und (11) ergibt

W ^ = ^ W (12)

rot ■ 2 rec

= cos"¹ ( ) = sin "¹ X ) C14)

PT7 ^ ^ Va² ₊ b²

Es versteht sich somit, daß'die primären und die sekundären Massenkräfte und das primäre und das sekundäre Trägheitsmoment ausgeglichen werden, wenn für W ., W_n . R_n

j. rot ti Jd

und j solche Werte gewählt werden, daß die durch die Gleichungen (12), (13) und (14) angegebenen Bedingungen erfüllt sind.

Bei einem Viertaktmotor gibt es für die Reihenfolge der Verbrennungstakte in den einzelnen Zylindern drei Möglichkeiten, die in der Figur 3 bei I, II und III dargestellt sind. Von diesen drei Möglichkeiten ist die mit II bezeichnete am vorteilhaftesten, weil dabei keine Verbrennungsvörgänge in zwei einander benachbarten Zylindern kurz auf- ' einanderfolgen.

In der Figur 4 ist nun ein gemäß der Erfindung ausgebildeter Viertaktmotor mit vier Zylindern dargestellt. Der Motor besitzt einen Zylinderblock 100 mit vier Zylinderbohrungen 121a, 121b, 121c und 121d. Ein auf dem Zylinderblock 100 montierter Zylinderkopf 101 trägt Nockenwellen 102 und 103. In dem Zylinderkopf 101 sind wie bei üblichen Viertaktmotoren Einlaß- und Auslaßkanäle 104 bzw. 105 ausgebildet, mit denen Einlaßventile 104 bzw. Auslaßventile 105 zusammenwirken. In an sich bekannter Weise, sind die Nockenwellen 102 und 103 mit Nocken 102a b?.w. ausgebildet, die zur Steuerung der Einlaßventile 104 bzw.

-S-

der Auslaßventile 105 dienen.

In den Zylinderbohrungen 121a, 121b, 121c und 121d ist je ein Kolben 122a, 122b, 122c bzw. 122d angeordnet. Unter dem Zylinderblock 100 befindet sich eine Kurbelwelle 110, die durch je ein Pleuel 123a, 123b, 123c bzw. 123d mit den Kolben 122a, 122b, 122c und 122d verbunden ist. Die Nockenwellen 102_und 103 sind mit je einem Kettenrad 106 und 10 7 ausgebildet. Die Kurbelwelle 110 ist mit einem Kettenrad 108 ausgebildet. Die Kettenräder 106, 107 und stehen im Eingriff mit einer Gleichlaufkette 109, welche die Nockenwellen 102 und 103 synchron mit der Kurbelwelle 110 antreibt.

Eine parallel zu der Kurbelwelle 110 angeordnete Massenausgleichswelle 111 trägt zwei Massenausgleichsgewichte 131 und 132, wie sie vorstehend beschrieben wurden. Ein mit der Kurbelwelle 110 drehfestes Zahnrad 13 3 kämmt mit einem Zahnrad 13 4, das mit der Massenausgleichswelle 111 drehfest ist. Die beiden Zahnräder 133 und 134 haben dieselbe Zähnezahl, so daß sich die Massenausgleichswelle 111 mit derselben Drehzahl wie die Kurbelwelle, aber gegensinnig zu ihr dreht. Der Motor ist so ausgebildet, daß die durch die Gleichungen (12), (13) und (14) angegebenen Bedingungen erfüllt sind.

Die Erfindung ist in keiner Weise auf Einzelheiten des vorstehend beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels eingeschränkt, da dieses im Rahmen des Erfindungsgedankens abgeändert werden kann.

Claims

"β ft 3U1025 PATENTANSPRÜCHE

1.) Vierzylinder-Verbrennungsmotor, gekennzeichnet durch einen ersten, zweiten, dritten und vierten Zylinder, die in dieser Reihenfolge hintereinander angeordnet sind und in denen ein erster, zweiter, dritter bzw. vierter Kolben hin- und herbewegbar angeordnet ist, ferner eine Kurbelwelle, die über je ein Pleuel mit den Kolben verbunden und in einer Richtung drehbar und so ausgebildet ist, daß sich der zweite, dritte und vierte Kolben gegenüber dem ersten Kolben mit einem Phasenabstand von 90, 270 bzw. Grad bewegt, eine parallel zur Kurbelwelle angeordnete Massenausgleichswelle, eine Antriebseinrichtung zum Antrieb der Massenausgleichswelle mit derselben Drehzahl wie die Kurbelwelle, aber gegensinnig zu dieser, eine dem ersten und dem zweiten Zylinder zugeordnete, erste Massenausgleichsgewichtsanordnung und eine dem dritten und dem vierten Zylinder zugeordnete, zweite Massenausgleichsgewichtsanordnung.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Massenausgleichsgewichts anordnung in Bezug auf die Drehachse der Massenausgleichswelle einander diametral gegenüberliegen.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß seine rotierenden Teile am Kurbelzapfen ein Äquivalentgewicht W . und seine hin- und hergehenden Teile ein Gesamtgewicht W haben und daß die durch folgende Gleichungen angegebenen Bedingungen erfüllt sind:

^Wrot -■ Ι ^Wrec < "»

- 10 -

• tt ρ -*-

• · * α β

- it) - ■ =

Ψ = cos -^χ ( )= sin"¹ ( ) (14)

^ ^~ v/a² + b²

_n das Gewicht der ersten bzw. zweiten Massenausgleichs-B

wobei
da
gewichtsanordnung,

R der Abstand des Schwerpunkts jeder Massenausgleichsgewichtsanordnung von der Drehachse der Massenausgleichswelle,

2a der Abstand zwischen dem ersten und dem vierten Zylinder, 2b der Abstand zwischen dem zweiten und dem dritten Zylinder,

Jc ~f· Ji. 7_ der in der Axialrichtung der Massenausgleichswelle gemessene Abstand zwischen der ersten und der zweiten Massenausgleichsgewichtsanordnung,

~Y~ der Kurbelradius und

y der Phasenabstand zwischen der ersten Massenausgleichsgewichtsanordnung und dem ersten Kolben ist.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Viertaktmotor ist und die Verbrennung in dem ersten, sweiten, dritten und vierten Zylinder in dieser Reihenfolge erfolgt.