-
Ausgleich von Drehschwingungen, und zwar der gleichphasigen Harmonischen
Ordnung, bei Viertaktbrennkraftmaschinen mit ungerader Zylinderzahl
und gleichmäßiger Kurbelversetzung Bei Viertaktbrennkraftmaschinen mit ungerader
Zylinderzahl und gleichmäßiger Kurbelversetzung sind, wenn die Zündabstände gleichgewählt
werden, alle kritischen Drehzahlen n # i-ter und
Ordnung sogenannte Hauptkritische mit gleichphasigen Erregungsarbeiten. Es bedeutet
dabei i Zylinderzahl und za eine beliebige ganze Zahl. Bei allen anderen Ordnungen
wirkt in jeder Kurbelrichtung die Erregungsarbeit eines Zylinders.
-
Es ist bekannt, gefährliche kritische Drehzahlen dadurch unschädlich
zu machen, daß die resultierende Erregungsarbeit aller Zylinder klein gemacht wird.
Das geschieht durch die Wahl einer geeigneten Zündfolge, bei der die vektorielle
Summe der Ausschläge für die Schwingungen bestimmter Ordnungen möglichst klein ist.
Eine Änderung der Zündfolge bedingt aber bei Viertaktmaschinen mit ungerader Zylinderzahl
auch eine Änderung der Kurbelversetzung, wenn die Zündabstände gleichbleiben sollen.
Damit kann sich jedoch eine unverwünschte Verlagerung des Massenmomentenausgleiches
ergeben, und es lassen sich auch die eingangs genannten Hauptkritischen dadurch
nicht beeinflussen. Die Erfindung bezweckt daher, bei Viertaktbrennkraftmaschinen
mit ungerader Zylinderzahl und gleichmäßiger Kurbelversetzung den Ausgleich der
Hauptkritischen
Ordnung zu erreichen, ohne daß der Ausgleich der Massenmomente beeinträchtigt wird.
Die Erfindung besteht darin, daß die Zündabstände ungleichmäßig sind, und zwar derart,
daß bei mindestens einem Zylinder der Zündabstand von der Zündung des ersten Zylinders
ein ungerades Vielfaches eines Kurbelwinkels ist. Die einzelnen Zündabstände zwischen
den Zylindern sind in jedem Falle nach der Form des Drehschwingungssystems zu bestimmen.
Dadurch können bei geeigneter Auswahl der Zylinder die Erregungsarbeiten der auf
andere Weise nicht zu beeinflussenden Hauptkritischen der
Ordnung weitgehend ausgeglichen werden. Gleichzeitig ist darauf zu achten, daß auch
die im Betriebsbereich liegenden Zwischenkritischen nicht zu stark werden.
-
Der Gegenstand der Erfindung ist auf der Zeichnung in dem Ausführungsbeispiel
einer mit einem Schwungrade S und einer Riemenscheibe
R gekuppelten
Fünfzylinderviertaktmaschine in mehreren Abbildungen schematisch dargestellt und
erläutert. Abb. i zeigt die Kurbelversetzung des Motors. Abb_ :z; und 3 geben das
aus den Massen und d *lü diese verbindenden Wellenstücken bestehende.., Drehschwingungssystem
und die dafür sii@l= ergebende Schwingungsform des I. Grades` wieder.
-
Für das auf der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel sollen
nun im folgenden die bezüglich der Drehschwingungen günstigsten Zündabstände ermittelt
werden. Der Drehzahlbereich zwischen n = 25o und n = 525 LTmdr./min soll
dabei nach den _ Betriebsbedingungen frei von Sperrgebieten oder von gefährlichen
Drehschwingungen sein. Die Eigenschwingungszahl I. Grades mit der Schwingungsform
nach Abb. 3 ist nI = 33i;0, so daß die Kritische 71/2. Ordnung nI 71/2 = 450 ist.
Für diese Eigen.schwingungsform ist in Abb.4a die Veränderlichkeit der Erregungsarbeit
- mit der Zündfolge für alle Harmonischen untersucht.
-
Außer der normalen Zündfolge mit gleichen Zündabständen sind drei
Zündfolgen mit ungleichmäßigem Zündabstand, aber bei gleicher Kurbelversetzung behandelt.
Für jede Zündfolge sind in der oberen Reihe die Erregungsrichtungen für die einzelnen
Kurbeln gezeichnet, und zwar gilt die,°,rste Spalte für die Harmonischen 1, 6, 11
... und spiegelbildlich für die Harmonischen 4, 9, 14 . . . , die zweite
Spalte für die Harmonischen 1/2, 51;2, 1o1/2 ... und spiegelbildlich für die Harmonischen
41/2, 91/2, 1412 . . . , die dritte Spalte für die Harmonischen i1/2, 61/ä, iil/2
... und spiegelbildlich für die Harmonischen 31/2, 81/2, 131/2 .. ., die vierte
Spalte für die Harmonischen 2, 7, 12, 17 ... und spiegelbildlich für die
Harmonischen 3, 8, 13, 18 .. ., die fünfte Spalte für die Harmonischen 21/2, 71/2.,
121/2 . . , Die Harmonischen 5, io, 15 sind nicht dargestellt, da die Erregungsrichtungen
aller Kurbeln immer zusammenfallen, unabhängig von der gewählten Zündfolge. Die
i. Spalte gibt gleichzeitig die Kurbelversetzung wieder.
-
In der zweiten Reihe für jede Kurbelversetzung ist für die einzelnen
Harmonischen die v ektorielle Summe der Ausschläge für die in Abb. 3 wiedergebene
Schwingungsform gebildet, wobei der Ausschlag des Zylinders V gleich i gesetzt ist.
-
Die wirklichen Ausschläge in der Resonanz sind rieben der Dämpfung
durch die Größe der Erregungsarbeit bestimmt, die durch das Produkt aus der Resultierenden
R mit dem erregenden Moment p eines Zylinders gegeben ist.
-
Die Resultierende-R ist also für die gleiche Harmonische ein Verhältnismaß
für die Größe der Resonanzbeanspruchung. In Abb.4b sind daher für die einzelnen
Zündfolgen die -tesultierenden R als verhältnismäßige Re-Avnanzausschläge über den
Harmonischen «Üfgetragen. Die Abb.4b zeigt, wie dicht gefährliche Kritische aufeinanderfolgen.
Während bei der normalen Zündfolge die Kritischen 21/2., 5., 71/2., io. ... Ordnung
die größten und alle gleich .große verhältnismäßige Resonanzausschläge besitzen,
haben bei den Ausgleichszündfolgen nur die Kritischen 5., io., 15. ... Ordnung diese
großen Werte.
-
Es soll nun im folgenden an Hand der oben gefundenen Verhältnisse
untersucht werden, welche Zündfolge für das angenommene Beispiel in dem Betriebsdrehzahlbereich
die geringsten Schwingungsbeanspruchungen ergibt. Bei der üblichen Zündfolge mit
gleichen Zündabständen sind die Erregungsarbeiten der 71/2. Ordnung gleichphasig;
die resultierende Erregungsarbeit ist also durch das Produkt aus dem erregenden
Moment ;1 /2. Ordnung eines Zylinders p71/., mit der algebraischen Summe der Schwingungsausschläge
aller Zylinder 12, gegeben. Wird der Ausschlag des Zylinders V gleich i gesetzt,
so ist nach Abb. 3 Z 2 = 3,61; die gesamte Erregungsarbeit ist also A 711a = 3,61
# p71/z-Läßt man gemäß der Erfindung den zeitlichen Abstand der Zündung des Zylinders
III von der Zündung des Zylinders I 3/5 Umdrehung, also ein ungerades Vielfaches
des Kurbelwinkels (1/5 Umdrehung) sein, so wirkt die Erregungsarbeit dieses Zylinders
für die ,^1/2. Ordnung gegen die Erregungsarbeiten der Zylinder I, II, IV und V.
Die Zündfolge ist dann I-II-III-IV-V, die resultierende Erregungsarbeit der 71/2:
Ordnung A71/2= 2,05 n 7i/2. Von den Zwischenkritischen sind hier besonders die 61/2.
und 81/2. Ordnung zu beachten, deren Erregungsarbeiten bei dieser Ausgleichszündfolge
A 61/2 (81./2) = 1,4 # p 61/2 (81/2) betragen. Die genannte Ausgleichszündfolge
bringt also für die 71/2. Ordnung eine bedeutende Herabsetzung der Erregungsarbeit
gegenüber der Zündfolge mit gleichen Zündabständen, nämlich im Verhältnis 3,61 ohne
daß gleichzeitig die Erregungsarbeit der 61/2. Ordnung mit der größeren Erregenden
p611, unzulässig groß wird.
-
Wenn nun die kritische Drehzahl 61./2. Ordnung über den Betriebsdrehzahlbereich
gelegt werden kann, was im vorliegenden Falle durch Verstärkung der Kurbelwelle
möglich ist, so braucht auf diese bei der Veränderung der Hauptkritischen 71/2.
Ordnung keine Rücksicht mehr genommen zu werden. Für die
71/2. Ordnung
läßt sich dann die Erregungsarbeit durch eine noch günstigere Zündfolge weiter herabsetzen,
denn für die Zündfolge I-III-IV-V-II ist A 71/2 = 0,89, - p71/2. Hierbei ist für
die 81/2. Ordnung mit der schwächeren Erregenden p 81/2 die Erregungsarbeit A 81/2
= 2,02 - p 81/2. Dieser Wert liegt wegen des Unterschiedes- zwischen p 71/2 und
p 81/2 nur unwesentlich über dem Wert der Erregungsarbeit für die 7i/2. Ordnung;
er ist aber jedenfalls geringer als die Erregungsarbeit A71/2 =
2,05 - p71/2 für die weiter oben genannte Zündfolge I-II-III-IV-V.
-
Die Erregungsarbeit der 71/2. Ordnung läßt sich mit der Zündfolge
I-II-III-V-IV noch wesentlich stärker verringern, nämlich auf A71/2 = 0,2
z - p 71/2; j edoch wird hierbei die Erregungsarbeit für die 61/2. und 81/2.
Ordnung A 61/2 (81/2) = 2,68 - p 61/2 (81/2). Diese Zündfolge ist also trotz des
weitgehenden Ausgleiches der 71/2. Ordnung ungünstiger als die beiden anderen genannten
Ausgleichszündfolgen, womit gezeigt ist, daß die Zwischenkritischen bei der Auswahl
der günstigsten Zündfolge nicht außer acht gelassen werden dürfen.
-
Mit dem beanspruchten Verfahren lassen sich also die Drehschwingungen
für einen großen Drehzahlbereich weitgehend ausgleichen. Dabei ist es von grundlegender
Bedeutung, daß die gleichmäßige Kurbelversetzung nicht geändert zu werden braucht
und deshalb auch der bestmögliche Ausgleich der Massenkräfte erzielt werden kann.
Der größere L ngleichförmigkeitsgrad der Maschine bei ungleichen Zündabständen wird
in den meisten Fällen durch die genannten Vorteile bei weitem überwogen.
-
Wegen der gleichbleibenden Kurbelversetzung ist es auch leicht möglich,
das Verfahren bei bestehenden Maschinen, deren Betriebsbedingungen etwa geändert
werden, nachträglich anzuwenden. Es muß dann lediglich die Steuerwelle der neuen
Zündfolge entsprechend geändert werden.
-
Das Verfahren kann auch zum Ausgleich von. Schwingungen II. und höheren
Grades benutzt werden.