DE3840307C2 - Einrichtung zum Ausgleich von Massenkräften und Wechselmomenten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Ausgleich von freien Massenkräften sowie von durch Gas- und Massenkräfte erzeugten freien Wechselmomenten um die Längsachse von Hubkol­ ben-Kurbelwellenmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie z. B. aus der DE-OS 28 22 589 bekannt ist.

Bekanntlich treten beim Betrieb von Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen freie Kräfte und Momente auf, die besonders durch die hin- und hergehenden Teile der Kurbelwellenmaschine, wie Kolben, Pleuel­ stange und dgl. verursacht sind und die je nach Art der Maschine sowie nach Zahl und Anordnung der Kurbelkröpfungen der Kurbel­ welle in mehr oder weniger großem Maße unausgeglichen sind und damit das Laufverhalten und die Laufruhe der Hubkolbenmaschine wesentlich beeinflussen. Bekannte Ausgleichmaßnahmen dienen dazu, die freien Massenkräfte bzw. freien Massenmomente um die Quer- und Hochachse der Kurbelwellenmaschine unter Verwendung von umlaufenden Gegengewichten bzw. Gegengewichtspaaren auszu­ gleichen.

So ist insbesondere eine als Lanchester-Ausgleich bezeichnete Einrichtung zum Ausgleich der Massenkräfte an Kurbelwellenma­ schinen, insbesondere der Massenkräfte II. Ordnung an Vierzylin­ der-Viertakt-Reihenmotoren, bekannt, bei der zwei mit Gegenge­ wichten versehene, parallel zur Kurbelwelle im Kurbelgehäuse angeordnete Ausgleichwellen in zueinander entgegengesetzter Richtung mit doppelter Kurbelwellendrehzahl umlaufen. Bei einem Versatz der beiden Ausgleichwellen bezüglich der Zylinderhauptachse lassen sich neben den freien Massenkräften zusätzlich auch freie Wechselmomente um die Längsachse der Kurbelwelle ausgleichen.

Nun sind aber solche, an Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen auftre­ tende Wechselmomente um die Längsachse je nach ihrem Ursprung gerade entgegengesetzt gerichtet und machen sich zudem in unter­ schiedlichen Betriebsbereichen der Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen bemerkbar. So sind beispielsweise die bei Verbrennungskraftma­ schinen während des Betriebs erzeugten Gaskräfte für das Entstehen solcher Wechselmomente im unteren Drehzahlbereich verantwortlich. Dazu gehört zum Beispiel auch das bekannte Dieselschütteln im Leerlauf. In oberen Drehzahlbereichen verursachen dagegen die Massenkräfte Wechselmomente, die jedoch gerade entgegengesetzt zu den durch Gaskräfte erzeugten Wechselmomenten gerichtet sind.

Wenn daher bei einer Ausgleichvorrichtung nach dem Lanchester-Prin­ zip die beiden mit entgegengesetztem Drehsinn und doppelter Drehzahl umlaufenden Ausgleichwellen bezüglich der Zylinderlängs­ achse zueinander versetzt angeordnet sind, dann kann ein Aus­ gleich der Wechselmomente um die Längsachse der Maschine nur in einem bestimmten Betriebsbereich, nämlich dem Auslegungsbe­ triebsbereich, erfolgen. In diesem Auslegungs-Betriebsbereich, der beispielsweise der obere Drehzahlbereich der Maschine sein mag, ergibt sich dann zwar ein wirkungsvoller Ausgleich sowohl der freien Massenkräfte als auch der durch Massenkräfte bewirkten freien Wechselmomente. In dem unteren Drehzahlbereich, addieren sich dagegen die in der Kurbelwellenmaschine durch die Gaskräfte verursachten Wechselmomente zu den durch die Ausgleichseinrich­ tung erzeugten Wechselmomenten, so daß das Laufverhalten der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine in diesem Betriebsbereich deut­ lich schlechter als ohne Ausgleichvorrichtung werden muß.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine Ausgleicheinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art zu schaffen, die neben einem weitgehenden Aus­ gleich der freien Massenkräfte auch einen spürbaren Ausgleich der sowohl durch Massenkräfte als auch durch Gaskräfte bedingten Wechselmomente um die Längsachse der Maschine und dies in möglichst allen Betriebsbereichen ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Durch Umschaltung der Drehrichtungen der Ausgleichwellen, die vorzugsweise in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kurbelwelle erfolgen soll, läßt sich nämlich die Richtung der durch die Ausgleicheinrichtung erzeugten Ausgleichmomente umkehren und damit den in der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine erzeugten, in Abhängigkeit vom Betriebsbereich, der Maschine unterschiedlich gerichteten Wechselmomenten entgegensetzen. Damit kann sich dann ein Ausgleich sowohl der freien Massen­ kräfte als auch der Wechselmomente um die Längsachse der Maschine in praktisch allen Betriebsbereichen erzielt werden.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellungsweise gezeigt, das im folgenden näher erläutert wird. In den beiden Figuren der Zeichnung ist jeweils die gleiche Ausgleicheinrichtung für eine Hubkolben-Kurbelwellen­ maschine gezeigt, wobei die Antriebsrichtung dem Ausgleichwel­ len durch Zuschaltung unterschiedlicher Getriebeeinrichtungen umkehrbar ist. In der Zeichnung ist jeweils mit 1 die Hubkolben- Kurbelwellenmaschine insgesamt bezeichnet, die beispielsweise aus einem Vierzylinder-Viertakt-Reihenmotor für ein Personen­ kraftfahrzeug bestehen kann. 2 stellt die Kurbelwelle dieser Hubkolben-Kurbelwellenmaschine 1 dar, die jeweils über Kurbel­ zapfen 3 und an diesen angelenkte Pleuel 6 mit in Zylindern 5 gleitenden Kolben. 4 verbunden ist. Mit 7 und 8 sind zwei im wesentlichen parallel zur Kurbelwelle 2 angeordnete Ausgleich­ wellen bezeichnet, die mit exzentrisch angeordneten Ausgleich­ gewichten 9 und 10 versehen sind.

Zum Antrieb dieser bezüglich der Zylinderlängsachse gegeneinander versetzt angeordneten Ausgleichwellen 7 und 8 sind hier zwei z. B. durch Zahnriementriebe gebildete Riementriebe 13 und 19 vorgesehen, die jeweils eine auf der Kurbelwelle 2 drehbar gehal­ tene Antriebsriemenscheibe 11, 14 aufweisen. Während nun der erste Riementrieb 13 die auf der Kurbelwelle 2 drehbar gehaltene Antriebsriemenscheibe 11 mit einer auf der ersten Ausgleichwelle 7 starr befestigten Riemenscheibe 12 verbindet, verbindet der zweite Riementrieb 19 die zweite Antriebsriemenscheibe 14 sowohl mit einer starr auf der ersten Ausgleichwelle 7 gehaltenen Riemen­ scheibe 15 als auch mit einer starr auf der zweiten Ausgleichwelle 8 gehaltenen Riemenscheibe 16. Darüberhinaus sind noch Umlenk­ riemenscheiben 17 und 18 vorgesehen, die zur zweckmäßigen Führung und Straffung des zweiten Riementriebs 19 vorgesehen sind. Der zweite Riementrieb 19 ist im übrigen so angeordnet, daß er die beiden Riemenscheiben 15 und 16 der beiden Ausgleichwellen 7 und 8 in einander entgegengesetztem Drehsinn umschlingt. Die beiden Riementriebe 13 und 19 greifen zudem an den der ersten Ausgleichwelle 7 zugeordneten Riemenscheiben 12, 15 in entgegen­ gesetzter Richtung an, so daß bei einer formschlüssigen Kupplung der dem zweiten Riementrieb 19 zugeordneten Antriebsscheibe 14 mit der Kurbelwelle 2 die erste Ausgleichwelle 7 gerade mit entgegengesetzter Drehrichtung angetrieben wird als bei Zuschal­ tung des ersten Riementriebes 13 durch Kupplung der diesem zuge­ ordneten Antriebsriemenscheibe 11 mit der Kurbelwelle 2.

In den beiden Figuren der Zeichnung ist nun die unterschied­ liche Zuschaltmöglichkeit des ersten und zweiten Riementriebes 13, 19 angedeutet. So ist bei der Darstellung nach der Fig. 1 der erste Riementrieb 13 durch Kupplung der diesem zugeordneten Antriebsriemenscheibe 11 mit der Kurbelwelle 2 zugeschaltet, was durch ausgezogene Einzeichnung des Riementriebes 13 angedeutet ist. Hierbei ist der zweite, mit unterbrochenen Linien darge­ stellte Riementrieb 19 nicht mit der Kurbelwelle antriebsmäßig verbunden. Es ergibt sich somit für die erste Ausgleichwelle 7 eine Drehrichtung entsprechend dem eingetragenen Pfeil, die mit der Drehrichtung der Kurbelwelle übereinstimmt. Die Drehzahl der ersten Ausgleichwelle 7 ist dabei aber doppelt so groß wie die Drehzahl der Kurbelwelle 2. Über den zweiten Riementrieb 19, der ja die Riemenscheiben 15 und 16 der beiden Ausgleich­ wellen 7 und 8 miteinander und mit der jetzt lose auf der Kurbel­ welle drehenden Antriebsriemenscheibe 14 verbindet, wird dann die andere Ausgleichwelle 8 mit ebenfalls der doppelten Kurbel­ wellendrehzahl, aber mit entgegengesetztem Drehsinn angetrieben.

Die an den Ausgleichwellen 7 und 8 angebrachten Ausgleichgewich­ te 9 und 10 sind hinsichtlich ihrer Größe und Phasenlage so bemessen, daß sie zunächst einen Ausgleich der in Zylinderachs­ richtung gerichteten freien Massenkräfte II. Ordnung der Hub­ kolben-Kurbelwellenmaschine bewirken. Infolge des Versatzes der beiden Ausgleichwellen 7 und 8 bezüglich der Zylinderlängs­ achse ergibt sich durch die senkrecht zur Zylinderachsrichtung gerichteten Komponenten der von den Ausgleichgewichten 9 und 10 erzeugten Zentrifugalkräfte jetzt zusätzlich noch ein Dreh­ moment, das gerade dem im oberen Drehzahlbereich infolge der Massenkräfte verursachten Wechselmoment um die Längsachse ent­ gegengerichtet ist. Durch entsprechende Bemessung der Größe des Versatzes kann dann auch ein weitgehender Ausgleich dieses Wechselmomentes erzielt werden.

In der Darstellung nach der Fig. 2 ist anstelle des ersten Riementriebes 13 der zweite Riementrieb 19 mit der Kurbelwel­ le 2 antriebsmäßig verbunden, so daß bei lose mitlaufendem ersten Riementrieb 13 die Drehrichtung der Ausgleichwellen und damit auch die Richtung des durch die Ausgleichgewichte erzeugten Drehmoments gerade entgegengesetzt zu der Darstellung in der Fig. 1 gerichtet ist. Angedeutet wird dies hier dadurch, daß jetzt der erste Riementrieb 13 mit unterbrochenen Linien und der zweite Riementrieb 19 mit ausgezogenen Linien dargestellt ist.

Erreicht werden kann diese Umschaltung des Antriebs der Riementrieb durch eine zweiseitig wirksame Kupplung, die beispielsweise zwischen den den beiden Riementrieben 13 und 19 zugeordneten Antriebsriemenscheiben 11 und 14 angeordnet und in der Zeich­ nung jeweils mit 20 angedeutet ist. Diese Kupplung 20 könnte dabei als Schlupfkupplung mit einem Einrastmechanismus für den Formschluß zwischen den zu kuppelnden Gliedern, nämlich der Kurbelwelle 2 einerseits und den Antriebsriemenscheiben 11 bzw. 14 andererseits ausgebildet sein. Dabei sollte dieser Einrast­ mechanismus so ausgeführt sein, daß das Einrasten nur in bestimmten Phasenlagen möglich ist, um so einen Ausgleich der freien Mas­ senkräfte und der Wechselmomente der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine 1 erreichen zu können. Die Kupplung 20 kann dann, zweckmäßiger­ weise in Abhängigkeit von der Drehzahl, von einer hier nicht dargestellten Stellvorrichtung so betätigt werden, daß sie im oberen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine die dem ersten Riementrieb 13 zugeordnete Antriebsriemenscheibe 11 und im unteren Drehzahlbereich die dem zweiten Riementrieb 19 zugeordnete An­ triebsriemenscheibe 14 mit der Kurbelwelle 2 verbindet. Folg­ lich werden die Ausgleichwellen 7 und 8 bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine mit dem in der Fig. 1 eingetragenen Drehsinn und bei niedrigen Drehzahlen mit dem in der Fig. 2 angegebenen Drehsinn angetrieben. Der Umschaltpunkt sollte dabei so gewählt werden, daß auch außerhalb der beiden Auslegungs­ betriebsbereiche sich etwa vorhandene unausgeglichene Wechsel­ momente möglichst wenig bemerkbar machen.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß abweichend von der in der Zeichnung gezeigten Ausführung der Antrieb der beiden Ausgleich­ wellen 7 und 8 natürlich auch durch andere Getriebevorrichtungen als durch die in der Zeichnung angedeuteten und in der Beschrei­ bung erwähnten Riementriebe erfolgen kann. Wesentlich ist dabei lediglich, daß eine feste Zuordnung der Phasenlage der Ausgleich­ wellen zur Kurbelwelle sichergestellt ist, und zwar in beiden Drehrichtungen und daß die Drehzahl der Ausgleichwellen gerade doppelt so groß wie die Kurbelwellendrehzahl ist.

Auf die oben beschriebene Weise können beispielsweise 4-Zylin­ der-Maschinen die dort auftretenden freien Kräfte und Momente II. Ordnung und bei Zwei-Zylinder-Maschinen die freien Kräfte und Momente I. Ordnung ausgeglichen werden.

Claims (6)

1. Einrichtung zum Ausgleich von freien Massenkräften sowie von durch Gas- und Massenkräfte erzeugten freien Wechsel­ momenten um die Längsachse von Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen mit einem Paar von Ausgleichgewichten, die jeweils auf bezüglich der Zylinderachsrichtung gegeneinander versetzt angeordneten, mit der doppelten Drehzahl der Kurbelwelle angetriebenen umlaufenden Ausgleichwellen gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtungen der Ausgleichwellen (7, 8) umschaltbar sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtungen der Ausgleichwellen (7, 8) in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kurbelwelle (2) umschaltbar sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei wechselweise mit der Kurbelwelle (2) kuppelbare Getriebevorrichtungen (13, 19) vorgesehen sind, die zum An­ trieb der beiden Ausgleichwellen (7, 8) mit umkehrbarem Dreh­ sinn ausgebildet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste (13) der beiden Getriebevorrichtungen (13, 19) ein erstes, auf der Kurbelwelle (2) drehbar gehaltenes Ge­ triebeelement (11) mit einem auf der ersten Ausgleichwelle (7) starr gehaltenen Getriebeelement (12) verbindet, und daß eine zweite (19) der beiden Getriebevorrichtungen ein zweites, auf der Kurbelwelle (2) drehbar gehaltenes Getriebe­ element (14) mit jeweils auf der ersten und der zweiten Aus­ gleichwelle (7, 8) starr gehaltenen Getriebeelementen (15, 16) verbindet, wobei die Angriffsrichtungen der beiden Ge­ triebevorrichtungen (13, 19) bezüglich der ersten Ausgleich­ welle (7) einander entgegengesetzt sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur wechselweisen Kupplung der den beiden Getriebevor­ richtungen (13, 19) zugeordneten, auf der Kurbelwelle (2) drehbar gehaltenen Getriebeelemente (11, 14) mit der Kurbel­ welle (2) eine doppelt wirkende Formschlußkupplung (20) vorge­ sehen ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Getriebevorrichtungen (13, 19) Zahnriemen­ triebe vorgesehen sind.