DE3842366A1 - Massenausgleichseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Ausgleich von freien Massenkräften und/oder von durch Gas oder Massen­ kräfte erzeugten freien Wechselmomenten um die Längsachse von Hubkolben-Kurbelwellenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Bekanntlich treten beim Betrieb von Hubkolben-Kurbelwellenma­ schinen freie Kräfte und Momente auf, die besonders durch die hin- und hergehenden Teile der Kurbelwellenmaschine, wie Kolben, Pleuelstange und dgl., verursacht sind und die je nach Art der Maschine sowie nach Zahl und Anordnung der Kurbelkröpfungen der Kurbelwelle in mehr oder weniger großem Maße unausgeglichen sind und damit das Laufverhalten und die Laufruhe der Hubkolben­ maschine wesentlich beeinflussen. Bekannte Ausgleichmaßnahmen dienen dazu, die freien Massenkräfte bzw. freien Massenmomente um die Quer- und Hochachse der Kurbelwellenmaschine unter Ver­ wendung von umlaufenden Gegengewichten bzw. Gegengewichtspaaren auszugleichen.

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 Zylinderhaupt­ achse lassen sich neben den freien Massenkräften zusätzlich auch freie Wechselmomente um die Längsachse der Kurbelwelle ausgleichen. Nun weisen aber solche, an Hubkolben-Kurbelwellen­ maschinen auftretende Wechselmomente um die Längsachse je nach ihrem Ursprung einen unterschiedlichen Drehsinn auf und machen sich zudem in unterschiedlichen Betriebsbereichen der Hubkolben- Kurbelwellenmaschinen bemerkbar. So sind beispielsweise die bei Brennkraftmaschinen während des Betriebs erzeugten Gaskräfte für das Entstehen solcher Wechselmomente nur im unteren Drehzahl­ bereich verantwortlich; dazu gehört zum Beispiel auch das bekannte Dieselschütteln im Leerlauf. In oberen Drehzahlbereichen verur­ sachen dagegen die Massenkräfte Wechselmomente, die jedoch gerade entgegengesetzt zu den durch Gaskräfte erzeugten Wechselmomenten gerichtet sind.

Wenn daher bei einer Ausgleichvorrichtung nach dem Lanchester- Prinzip die beiden mit entgegengesetztem Drehsinn und doppelter Drehzahl umlaufenden Ausgleichwellen bezüglich der Zylinder­ längsachse zueinander versetzt angeordnet sind, dann kann ein Ausgleich der Wechselmomente um die Längsachse der Maschine nur in einem bestimmten Betriebsbereich, nämlich dem Auslegungs­ betriebsbereich, 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 der Kurbelwellenmaschine durch die Gaskräfte verursachten Wechselmomente und die durch die Ausgleicheinrich­ tung erzeugten Wechselmomente, 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 für einen möglichst weitgehenden Ausgleich der sowohl durch Massenkräfte als auch durch Gaskräfte erzeugten Wechselmomente um die Längsachse der Maschine in möglichst allen Betriebsbereichen sorgt.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Durch Veränderung der Phasenlage wenigstens einer Ausgleichmasse läßt sich die von dieser Masse erzeugte Ausgleichkraft sowie ein durch diese gegebenenfalls in Verbindung mit einer anderen Ausgleichkraft erzeugtes Moment der Richtung und der Größe nach verändern. Dabei ergeben sich vielfältige Möglichkeiten für eine solche Veränderung, von denen eine Reihe in den dem Hauptanspruch nachgeordneten Unteransprüchen als zweckmäßig angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert sind.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in schematischer Darstellungsweise gezeigt, die im folgenden näher erläutert sind. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Ausgleich­ welle mit einer festen und einer verstellbaren Ausgleichmasse,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausgleichein­ richtung mit zwei parallelen Ausgleichwellen und

Fig. 3 eine Ausführung einer Ausgleichvorrichtung mit drei parallel zur Kurbelwelle angeordneten Aus­ gleichwellen.

In der Fig. 1 der Zeichnung ist mit 1 eine Ausgleichwelle ange­ geben, die einen hier exzentrisch angeordneten Wellenzapfen 2 aufweist, auf dem eine hinsichtlich ihrer Phasenlage verstell­ bare Ausgleichmasse 3 gehalten ist. Mit 10 ist eine zweite bezüg­ lich ihrer Phasenlage jedoch unveränderbare Ausgleichmasse be­ zeichnet, die aus einem exzentrischen Ausgleichgewicht 11, einer fest auf der Ausgleichwelle 1 gehaltenen Nabe 12 und einem die Nabe 12 mit dem exzentrischen Ausgleichgewicht 11 verbindenden Steg 13 besteht.

Auch die hinsichtlich ihrer Phasenlage verstellbare Ausgleich­ masse 3 weist ein exzentrisches Ausgleichgewicht 4 und eine über ein Stegteil 6 verbundene Nabe 5 auf, die auf dem Wellen­ zapfen 2 derart gehalten ist, daß bei einer Drehung der Ausgleich­ welle 1 die Ausgleichmasse 3 synchron mitgenommen wird und dabei infolge ihres exzentrischen Ausgleichgewichtes eine Ausgleichkraft erzeugt. Die Halterung der Nabe 5 auf dem Wellenzapfen 2 erfolgt jedoch so, daß die Phasenlage der Ausgleichmasse, zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kurbelwelle, veränderbar ist. Dazu kann auf dem Wellenzapfen 2 eine schraubenlinienförmige Verzahnung vorgesehen sein, die mit einer entsprechenden Gegen­ verzahnung am Innenumfang der Nabe 5 zusammenwirkt, so daß bei einer durch eine Verstellvorrichtung 7 verursachten Axialver­ stellung der Nabe 5 eine Zwangsverdrehung der Ausgleichmasse 3 erfolgt. Die Stellvorrichtung 7 weist dazu eine an beiden Stirnseiten der Nabe angreifende Stellgabel 9 auf, die eine Aus­ nehmung 8 zum Durchtritt des exzentrischen Ausgleichgewichtes 4 während der Drehung der Ausgleichwelle 1 besitzt. Die Ansteuerung der Stellvorrichtung kann dann von einem Stellmotor in Abhängigkeit von der Drehzahl der Motor-Kurbelwelle vorgenommen werden.

In der Zeichnung ist die Ausgleichwelle in einem Betriebszustand gezeigt, bei dem die verstellbare Ausgleichmasse 3 eine Lage einnimmt, bei der ihr Ausgleichgewicht 4 die Ausgleichkraft der festen Ausgleichmasse 10 in etwa aufhebt, so daß keine resul­ tierende Ausgleichkraft vorhanden ist. Mit strichpunktierten Linien ist dagegen eine Stellung der verstellbaren Ausgleich­ masse 3′ angegeben, bei der sich die Massenkräfte der beiden Ausgleichmassen 10 und 3 zu einer deutlich größeren Ausgleich­ kraft addieren. Durch Bemessung der Größe der Ausgleichgewichte sowie der Exzentrizität des Wellenzapfens 2 bezüglich der Achse der Ausgleichwelle 1 kann die Größe der in den jeweiligen Be­ triebsbereichen erzeugten Ausgleichkräfte und deren Richtung beeinflußt werden. Auch wäre es möglich, die in der Fig. 1 mit 10 angegebene feste Ausgleichmasse wegzulassen, so daß nur eine hinsichtlich ihrer Phasenlage verstellbare Ausgleichmasse vorhanden ist, ebenso wie es auch denkbar ist, anstelle nur einer verstellbaren Ausgleichmasse deren zwei vorzusehen, die gegebenenfalls mit zeitlicher Verzögerung nacheinander verstellt werden.

In der Fig. 2 ist eine Anordnung zum Ausgleich von Wechselmo­ menten infolge von Gas- und Massenkräften, beispielsweise für eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine, wie sie für Personenkraft­ fahrzeuge zum Einsatz kommt, gezeigt. Dabei ist mit 21 die Kurbel­ welle, mit 22 ein Kurbelzapfen und mit 23 ein den Kurbelzapfen 22 mit einem in einem Zylinder 25 gleitenden Kolben 24 verbindendes Pleuel bezeichnet. Beiderseits der mit 26 angedeuteten Zylinder­ ebene sind im Abstand zwei Ausgleichwellen 27 und 28 vorgesehen, die zwecks Ausgleich der bei dieser Maschine auftretenden Momente II. Ordnung mit gleichem Drehsinn und doppelter Drehzahl der Kurbelwelle angetrieben werden. Auf diesen Ausgleichwellen 27 und 28 sind exzentrische Ausgleichgewichte 29 und 30 gehalten, die bei der Drehung der Ausgleichwellen Zentrifugalkräfte erzeugen, deren vertikal gerichtete Komponenten aufgrund der gerade einander entgegengesetzt gerichteten Phasenlage der Ausgleichmassen 29 und 30 ein in der Größe veränderliches Moment um die Längsachse der Kurbelwelle erzeugen. Dieses Moment um die Längsachse der Kurbelwelle 21 wird zum Ausgleich der von der Kurbelwellenmaschine erzeugten freien Wechselmomente infolge Gas- und Massenkräfte herangezogen.

Um dabei beide Wechselmomente, nämlich die im unteren Drehzahl­ bereich auftretenden Wechselmomente infolge Gaskräfte und die im oberen Drehzahlbereich auftretenden Wechselmomente infolge Massenkräfte auszugleichen, ist die Anordnung der Ausgleichwellen und insbesondere deren Ausgleichmassen so getroffen, daß die Phasenlage der Ausgleichgewichte 29 und 30 verstellbar ist. Bei einer mit ausgezogenen Linien in der Fig. 2 eingetragenen Phasenlage der Ausgleichgewichte 29 und 30 würde beispielsweise ein Ausgleich der infolge von Gaskräften verursachten Wechselmo­ mente im unteren Drehzahlbereich der Hubkolben- Kurbelwellen­ maschine erreicht werden, während nach Umschaltung der Ausgleichs­ massen in eine um 180° verdrehte Stellung (unterbrochene Linien) die Ausgleichgewichte 29′ und 30′ dann im oberen Drehzahlbereich die durch Massenkräfte bewirkten Wechselmomente ausgleichen.

Durch entsprechende Auslegung der Größe der Ausgleichgewichte sowie der Exzentrizität der Wellenzapfen kann dabei ein weitgehen­ der Ausgleich der Wechselmomente in beiden Betriebsbereichen erzielt werden. Die Umschaltung könnte zweckmäßigerweise in einem zwischen beiden Betriebsbereichen liegenden Drehzahlbereich vorgenommen werden. Gegebenenfalls könnte auch daran gedacht werden, in einem Zwischenbereich eine Verstellung der Ausgleich­ gewichte so vorzunehmen, daß in diesem mittleren Bereich kein Drehmoment erzeugt wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die verstellbare Ausgleichmasse, wie im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschrieben, in eine Lage gebracht wird, bei der ihre Zentrifugalkraft die Zentrifugalkraft einer etwa vor­ handenen festen Ausgleichmasse aufhebt.

Das Entstehen eines Drehmomentes um die Längsachse der Kurbel­ wellenmaschine kann aber auch dadurch ausgeschlossen werden, daß zumindest zeitweise die Phasenlage der beiden auf den beiden gegenüberstehenden Ausgleichwellen 27 und 28 angeordneten Aus­ gleichmassen 29 und 30 gleich ist. In dieser Stellung könnten dann die freien Massenkräfte der Kurbelwellen-Maschine II. Ordnung zumindest teilweise ausgeglichen werden, was sonst bei einander entgegengesetzten Phasenlagen nicht möglich ist.

In der Fig. 3 ist noch eine Ausführung gezeigt, bei der anstelle von zwei parallelen Ausgleichwellen deren drei vorgesehen sind. Dabei ist die Kurbelwelle mit 31, ein Kurbelzapfen mit 32, das diesen Kurbelzapfen mit einem Kolben 34 verbindende Pleuel mit 33 und der dem Kolben zugeordnete Zylinder mit 35 angegeben. Während auf der einen Seite der mit 36 angedeuteten Zylinder­ längsebene etwa in mittlerer Höhe eine Ausgleichwelle 37 mit einem exzentrischen Ausgleichgewicht 39 vorgesehen ist, das im entgegengesetzten Drehsinn zur Kurbelwelle und mit doppelter Drehzahl umläuft, sind auf der anderen Seite der Zylinderlängsebene 36 zwei parallel zur Kurbelwelle angeordnete Ausgleichwellen 38 a und 38 b vorgesehen, die jeweils mit einem exzentrischen Ausgleichgewicht 40 a, 40 b versehen sind. Die beiden Ausgleich­ wellen 38 a und 38 b weisen dabei einen vertikalen Abstand von­ einander sowie von der in mittlerer Höhe angeordneten Ausgleich­ welle 37 auf und werden in der gleichen Drehrichtung wie die Kurbelwelle, aber mit doppelter Drehzahl, angetrieben. Die auf diesen Ausgleichwellen 38 a und 38 b vorgesehenen exzentrischen Ausgleichgewichte sind dabei etwa in der in der Fig. 1 gezeigten Art ausgestaltet, nämlich so, daß neben einem verstellbaren Ausgleichgewicht auch ein festes vorgesehen ist und daß bei einer in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kurbelwelle erfolgenden Verstellung des hinsichtlich seiner Phasenlage verstellbaren Ausgleichgewichtes die Unwucht des anderen festen Ausgleich­ gewichtes im wesentlichen aufgehoben wird.

Durch wechselweises Umschalten des einen oder anderen verstellbaren Ausgleichgewichtes kann dann in unterschiedlichen Betriebsbereichen ein unterschiedlicher Ausgleich von Massenkräften und Momenten II. Ordnung erzielt werden. Beispielsweise würde im unteren Drehzahlbereich der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine, der bis etwa 1200 U/min gehen könnte, durch Umsteuerung der oberen Aus­ gleichmasse 40 a deren Ausgleichwirkung ausgeschaltet werden, so daß nur noch die Ausgleichmasse 39 und die mit einer Phasenlage gemäß den ausgezogenen Linien versehene Ausgleichmasse 40 b zur Wirkung kommen. Hierbei ergibt sich dann ein Ausgleich der Massen­ kräfte II. Ordnung sowie der durch die Gaskräfte verursachten Wechselmomente um die Längsachse der Kurbelwellenmaschine.

In einem mittleren Drehzahlbereich könnte dann zusätzlich zu der oberen Ausgleichmasse 40 a auch die untere Ausgleichmasse 40 b in eine solche Phasenlage gesteuert werden, daß auf deren Ausgleichwelle keine Unwucht mehr erzeugt wird. In dieser Situation würde dann nur noch die auf der Ausgleichwelle 37 angeordnete feste Ausgleichmasse 39 zur Wirkung kommen und dabei einen zu­ mindest teilweisen Ausgleich der Massenkräfte II. Ordnung er­ reichen.

Im oberen Drehzahlbereich, der beispielsweise oberhalb von 3500 U/min liegen könnte, könnte dann die Ausgleichmasse 40 a wieder in eine solche Stellung verstellt werden, in der sie eine Unwucht erzeugt. Infolge des Versatzes zwischen der Ausgleichwelle 37 und der Ausgleichwelle 38 a kann dann sowohl ein Ausgleich der Massenkräfte II. Ordnung als auch der durch Massenkräfte verur­ sachten Wechselmomente erzielt werden.

Die in den Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiele von Ausgleicheinrichtungen stellen nur beispielhafte Ausführungen dar und sollen die Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung nicht etwa begrenzen. Es ist vielmehr möglich, unter Heranziehung wenigstens einer auf einer Ausgleichwelle bezüglich ihrer Phasen­ lage verstellbar gehaltenen Ausgleichmasse unterschiedliche Ausführungen zu erreichen, die in unterschiedlicher Weise den Ausgleich freier Massenkräfte und Wechselmomente von Hubkolben- Kurbelwellenmaschinen ermöglichen. Unter anderem wäre auch eine stufenlose Verstellung der Ausgleichmassen möglich, so daß für jede Drehzahl das auszugleichende Moment in Betrag und Phasenlage vom Ausgleichstrieb aufgebaut wird.

Claims (12)

1. Einrichtung zum Ausgleich von freien Massenkräften und/oder von durch Gas- oder Massenkräfte erzeugten freien Wechsel­ momenten um die Längsachse von Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen mit wenigstens einem Paar von parallel zur Kurbelwelle der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine angeordneten, exzentrische Ausgleichmassen antreibenden Ausgleichwellen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens eine Ausgleichmasse (3, 4) auf einer Ausgleichwelle (1) bezüglich ihrer Phasenlage zwischen zwei um 180° gegeneinander verdrehten Stellungen verstellbar gehalten ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichmasse (3, 4) bezüglich ihrer Phasenlage in Ab­ hängigkeit von der Drehzahl der Kurbelwelle verstellbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichmasse (3, 4) mit einem Nabenteil (5) verbunden ist, das auf einem Wellenzapfen (2) der Ausgleichwelle (1) derart verstellbar gehalten ist, daß es bei einer Axialverstel­ lung um einen vorgegebenen Betrag eine relative Verdrehung um die Achse der Ausgleichwelle um 180° ausführt.

4. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenzapfen (2) exzen­ trisch zur Ausgleichwelle (1) angeordnet ist.

5. Ausgleicheinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Nabenteil (5) auf einer schraubenlinienartigen Verzahnung des Wellenzapfens (2) gehalten ist.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kurbelwelle betätigbare Stellvorrichtung (7) vorgesehen ist, die eine an dem Nabenteil (5) in Axialrichtung angreifende und eine die Ausgleichmasse (4) übergreifende Stellgabel (9) aufweist.

7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Paar von parallel zur Kurbelwelle angeordneten Ausgleichwellen, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Aus­ gleichwelle (27, 28) wenigstens eine bezüglich ihrer Phasen­ lage verstellbare Ausgleichmasse (29, 30) gehalten ist und daß die jeweils mit einander entgegengesetzten Phasenlagen gehaltenen Ausgleichmassen synchron zueinander aus einer ersten Phasenlage in eine zweite, jeweils um 180° verdrehte Phasenlage verstellbar sind.

8. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf wenigstens einem Teil der mit bezüglich der Phasenlage verstellbaren Ausgleichmassen (29, 30) versehenen Ausgleichwellen (27, 28) eine zweite Ausgleichmasse gehalten ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ausgleichmasse bezüglich ihrer Phasenlage starr auf der Ausgleichwelle gehalten ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beide Ausgleichsmassen bezüglich ihrer Phasenlage zwischen zwei um 180° gegeneinander verdrehten Stellungen verstellbar gehalten sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ausgleichmasse erst nach Beendigung der Verstel­ lung der ersten Ausgleichmasse verstellbar ist.

12. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß drei parallel zur Kurbelwelle (31) und mit gegenseitigem Versatz bezüglich der Zylinder­ längsachse (41) angeordnete Ausgleichwellen (37, 38 a, 38 b) vorgesehen sind, und daß zwei der Ausgleichwellen (38 a, 38 b) mit bezüglich ihrer Phasenlage verstellbaren Ausgleich­ massen (40 a, 40 b) versehen sind.