DE4121683C2

DE4121683C2 - Kurbeltrieb für Hubkolbenmotor

Info

Publication number: DE4121683C2
Application number: DE19914121683
Authority: DE
Inventors: Peter Prof Dr Ing Kuhn; Otto Dipl Ing Leible
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-06-29
Filing date: 1991-06-29
Publication date: 1997-01-02
Anticipated expiration: 2011-06-30
Also published as: DE4121683A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kurbeltrieb für Hubkolbenmotore gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, wie er aus der DE 31 15 417 A1 bekannt ist.

Bekanntlich wirken die Gaskräfte auf den Kolben ein, der dadurch aus dem Bereich etwa des oberen Totpunktes verschoben wird und dabei Bewegungsenergie über das Pleuel in den Kurbelzapfen der in Drehung zu versetzenden Kurbel leitet. Die durch diesen Bewegungsablauf ebenfalls erzeugten Massenkräfte 2. Ordnung beeinflussen das Laufverhalten des Motors und somit auch die Umgebung.

Für einen 4-Zylinder-Reihenmotor ist die Aufhebung der Massenkräfte 2. Ordnung mittels Ausgleichswellen möglich (DE 32 11 655 A1, DE 34 24 192 A1). Nachteilig zeigt sich hier jedoch die erhöhte Anzahl von bewegten massebehafteten Teilen, die Verschleiß unterworfen sind und ebenso einen erheblichen Mehraufwand an Konstruktionsraum und Fertigungskosten bedeuten und zudem höhere Reibungsverluste verursachen.

Gegenüber dem Stand der Technik soll mit der Erfindung ohne Mehraufwand an zusätzlichen Teilen die Aufgabe gelöst werden, die Belastungen durch Massenkräfte 2. Ordnung zu verringern oder sogar zu eliminieren, um somit die Belastungen des Kurbelzapfens und der Kurbelwellenlagerung und ebenso die Laufruhe des Motors zu verbessern.

Erfindungsgemäß geschieht dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Die benötigte Exzentrizität kann dabei durch folgende Gleichung bestimmt werden:

E = a₀ + a₁ · λ + a₂ · λ² + a₃ · λ³ + a₄ · λ⁴

mit
dm = m_rot/m_osz (m_rot ≡ rotatorische Masse; m_osz ≡ oszillierende Masse) und λ = r_k/l_P (r_k ≡ Kurbelradius; l_P ≡ Pleuellänge),
wobei E diejenige relative Exzentrizität in Prozent ist, die das Verhältnis Exzentrizität zu Nenndurchmesser des Polygons in Prozent angibt. Die Werte der Faktoren a₀, a₁, a₂, a₃ und a₄ berechnen sich dabei zu:
a₀ = 0,0800 - 0,6987 · dm¹ + 2,7809 · dm² - 4,1703 · dm³ + 2,1932 · dm⁴
a₁ = 16,3962 - 6,2062 · dm¹ - 40,6376 · dm² + 73,9512 · dm³ - 39,9896 · dm⁴
a₂ = 11,1677 - 76,4314 · dm¹ + 289,3877 · dm² - 411,9149 · dm³ + 212,4592 · dm⁴
a₃ = -14,3279 + 200,2637 · dm¹ - 738,4410 · dm² + 987,6006 · dm³ - 490,6169 · dm⁴
a₄ = 36,0407 - 156,8593 · dm¹ + 632,1401 · dm² - 834,6070 · dm³ + 404,2325 · dm⁴

Im üblichen Kurbeltrieb sind Pleuel und Kurbel durch eine Lagerung beweglich verbunden, die lediglich eine Drehung um eine in bezug auf beide Teile feste Achse, die Drehachse des Pleuellagers, erlaubt. Gegenüber den hierfür vorgesehenen rotationssymmetrischen geometrisch im wesentlichen gleichen Voll- bzw. Hohlform von Wellen und Lagerschalen treten bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Pleuellagers nicht-rotationssymmetrische geometrische im wesentlichen verschiedene Formen auf. Als Mittel (Element) der gegenseitigen Lenkung werden gemäß der Erfindung Voll- und Hohlkörper verwendet, die sich, ausreichend stützend, eindeutig relativ derart zueinander bewegen, daß sie sich um eine gegenüber jedem der bewegten Teile veränderliche Achse momentan drehen. In den Bewegungsebenen von Kurbel und Pleuel beschreibt demgemäß die Achse Polkurven.

Voll- und Hohlkörper weisen unterschiedliche Formen auf. Im Hinblick auf die im Pleuellager aufzunehmenden Kräfte wird der Vollkörper als P2-Profil mit endlicher Exzentrizität ausgebildet und ist somit an jeder Stelle der seine Schnittfläche begrenzenden Kontur konvex gekrümmt. Hierfür sind dann die stützenden Flächen des das Pleuelauge bildenden Hohlkörpers als Flächen auszubilden, deren Anordnung ein gleichseitiges Dreieck ausbildet. Um die zwischen Voll- und Hohlkörper auftretenden Pressungen zu reduzieren, kann nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung die Stützfläche als konkav gekrümmte Fläche ausgeführt werden. Um die zwischen Voll- und Hohlkörper auftretenden Gleitgeschwindigkeiten zu reduzieren, kann nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung der Hohlkörper als Hybridlager ausgeführt werden. Hierfür werden als stützende Flächen zylindrische Rollen benutzt, die ihrerseits in 180°-Gleitlagertaschen geführt sind und dessen Wälzkörperdrehachsen auf den Begrenzungslinien eines gleichschenkligen Dreiecks liegen. Damit die zur Minimierung der Massenkraft 2. Ordnung benötigte relative Exzentrizität E des P2-Profils einfach bestimmt werden kann, wird eine Berechnungsgleichung und das daraus resultierende Kennfeld aufgezeigt. Als weiterhin vorteilhaft kann es sich erweisen, Voll- und Hohlkörper in der Kurbel bzw. im Pleuel in gezielter Weise anzuordnen, um im Betrieb eine günstige Zuordnung der Elemente zu gewährleisten, z. B. um in der Stellung, in der die größten Pleuelkräfte auftreten eine vorteilhafte Schmiegung zwischen den Elementen herbeizuführen. Als weiterhin vorteilhaft kann es sich erweisen, daß die Hohlform des Pleuelauges als Hüllkontur des P2-Profils ausgebildet wird und somit günstige Schmiegungs- und Schmierfilmbildungseigenschaften aufzeigt. Des weiteren entsteht über große Bereiche ein zusätzlicher Berührpunkt, ein Hüllkonturpunkt, der die Tragfähigkeit unterstützt.

Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der Beschreibung und den Figuren. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine mögliche Ausbildung der erfindungsgemäßen Mittel,

Fig. 2 eine weitere vorteilhafte Ausbildung des P2-Profils,

Fig. 3 das Kennfeld zur geometrischen Auslegung des Kurbeltriebs bei Eliminierung Massenkräfte 2. Ordnung,

Fig. 4 das Kennfeld zur geometrischen Auslegung des Kurbeltriebs bei Minimierung der Massenkräfte 2. Ordnung,

Fig. 5 eine mögliche der Fig. 1 entsprechende Ausbildung, jedoch mit geänderten Zuordnungen der erfindungsgemäßen Mittel,

Fig. 6 eine mögliche der Fig. 2 entsprechende Ausbildung, jedoch geänderten Zuordnungen der erfindungsgemäßen Mittel,

Fig. 7 eine mögliche der Fig. 3 entsprechende Ausbildung, jedoch geänderten Zuordnungen der erfindungsgemäßen Mittel.

In Fig. 1 ist der Kurbeltrieb insgesamt schematisch dargestellt. Die Mittel für die bewegliche Verbindung des vom Kolben 1 her in Bewegung gesetzten Pleuels 2 mit der Kurbel 5 sind hier der Kurbelzapfen 3 und das umschließende Pleuelauge 4. Der an jeder Konturstelle konvexe Kurbelzapfen ist ein P2-Profil, das umschließende Pleuelauge ein gleichseitiges Dreieck.

Besonders vorteilhaft ist es, wie in der in Fig. 2 gezeigten Ausbildung der Erfindung die umschließenden ebenen äquidistanten Flächenpaare durch konkav gekrümmte Flächen 14 zu ersetzen und somit die auftretenden Pressungen in den Kontaktflächen zu reduzieren.

Weiter vorteilhaft ist es, wie in der in Fig. 3 gezeigten Ausbildung der Erfindung die konvex gekrümmten Flächen durch zylindrische Wälzkörper 24 zu ersetzen, um somit ein frei drehbares umhüllendes Flächensystem und damit verbesserte hydrodynamische Randbedingungen zu gewährleisten.

In Fig. 4 ist ein Kennfeld zur Bestimmung der notwendigen Exzentrizitäten des P2-Profils bei variablem Massenverhältnis (m_rot/m_osz) und variablem Schubstangenverhältnis (r_k/l_p) dargestellt.

In Fig. 5, 6 und 7 sind die ansonsten den Fig. 1, 2 und 3 entsprechenden Anordnungen so verdreht, daß sich für die im Bereich des oberen Totpunkts maximal auftretenden Pleuelkräfte besonders günstige Schmiegungsverhältnisse ergeben.

In Fig. 8 wird die ansonsten der Fig. 5 entsprechende Anordnung und die Hüllkurve des P2-Profils als Pleuelaugenhohlkontur benutzt und somit über große Bereiche ein zusätzlicher Berührpunkt erzeugt.

Claims

1. Kurbeltrieb für Hubkolbenmotor mit zylindrischem Kurbelzapfen und umschließender Hohlform des Pleuelauges, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurbelzapfen als vom Kreiszylinder abweichendes P2-Polygonprofil (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) ausgebildet ist und mit dem umschließenden Pleuelauge immer in drei Punkten Kontakt hat und somit zwangsgeführt ist (4, 14, 24, 34, 44, 54, 64).

2. Kurbeltrieb für Hubkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen des Pleuelauges in den Eingriffsbereichen ebene, konkave oder konvexe Flächen (4, 14, 24, 34, 44, 54, 64) sind.

3. Kurbeltrieb für Hubkolbenmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen (4, 14, 24, 34, 44, 54, 64) als gleichseitiges Dreieck zueinander angeordnet sind.

4. Kurbeltrieb für Hubkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schmiegungsgünstigte Zuordnung von Kurbelzapfen und Hohlform in die Stellung, an der die größten Pleuelkräfte auftreten, gedreht wird.

5. Kurbeltrieb für Hubkolbenmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlform des Pleuelauges der Hüllkontur des P2-Profils entspricht und daß dadurch über große Bereiche ein weiterer Berührpunkt, ein Hüllkonturpunkt, erzeugt wird.

6. Kurbeltrieb für Hubkolbenmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konvexen Flächen durch im Pleuelauge gelagerte Wälzkörper (54) gebildet sind.