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Vorrichtung zur Verminderung von Torsionsschwingungen Die Erfindung
betrifft eine Vorrichtung zur Verminderung von- Torsionsschwingungen in Kurbelwellen
mit einer neben der Kurbelwelle angeordneten, zwangsläufig mit ihr verbunde: nen
Welle, insbesondere von schnellaufenden Kolbenmaschinen.
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Kurbelwellen, namentlich solche von schnelllaufenden Mehrzylindermaschinen,
sind schädlichen Torsionsschwingungen unterworfen. Nun ist es bekannt, für Flugmotoren
mit Untersetzungsgetriebe zwischen den Enden der Kurbelwelle und der Luftschraube
eine elastische Wellenanordnung vorzusehen. Dadurch können jedoch die Torsionsschwingungen
in der Kurbelwelle nicht vermindert werden.
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Ferner ist es bekannt, zusätzliche Vorrichtungen zur Dämpfung oder
zur Erzeugung von gegenharmonischen Kräften, eine Kurbelversetzung zur Verminderung
der resultierenden harmonischen Kräfte anzuwenden, die Erhöhung der Eigenfrequenz
durch Verstärkung der Kurbelwelle bzw. durch Verminderung der Massen im Triebwerk.
und eine höhere Eigenschwingungszahl. mittels eins Vorgeleges anzustreben, das die
Kraft nicht nur an einem Ende, sondern noch an einer weiteren Stelle zwischen zwei
Kröpfungen der Kurbelwelle abnimmt.
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Die Verminderung der umlaufenden Massen ist aus Gründen der Festigkeit
und das Verstärken der Kurbelwelle aus baulichen Gründen eng begrenzt.
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Die Verstärkung der Kurbelwelle bedingt wieder eine Vergrößerung der
Massen, was den Vorteil der Verstärkung zum Teil wieder aufhebt. Änderungen der
relativen Kurbelversetzung bringen keine Erhöhung der Eigenfrequenz; die Verbesserung
der Verhältnisse bei einer Kraftordnung ist oft mit einer Verschlechterung der Verhältnisse
benachbarter Kraftordnungen verbunden. Die Abnahme der Kraft zwischen zwei Kröpfungen
bedingt zusätzliche Zahnräder mit größeren Massen, so daß es nicht möglich ist.
bei der Vorgelegewelle eine höhere Eigenschwingungszahl als für die Kurbelwelle
zu erzielen.
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Die Erfindung beschreitet deshalb einen neuen Weg, indem sie die zwangsläufige
Verbindung-an beiden Enden der Kurbeldelle
bzw. an mehr als zwei
Stellen vorsieht, wobei die Eigenschwingungsfrequenz der Welle höher ist als diejenige
der Kurbelwelle. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß die Elastizitäten vermindert
und die Eigenfrequenz erhöht werden und eine Versteifung der Kurbelwelle ohne deren
Verstärkung erziel# wird. Als zwangsläufige Verbindung wird vorteilhaft eine Verzahnung
vorgesehen. Solange die Leistung unmittelbar an der Kurbelwelle zu- oder abgeleitet
wird, sind die Teilkreisdurchniesser der Verzahnungen an der Kurbelwelle bzw. der
zusätzlichen Welle nur von denn gewünschten Maß der Versteifung abhängig.
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Das wellenseitige Ende einer Kurbelwange kann eine Verzahnung aufweisen,
die in einen auf der zusätzlichen Welle angeordneten Zahnkranz eingreift, wobei
letztere eine oder mehrere Ausnehmungen für den Durchgang des zapfenseitigen Wangenendes
besitzt, zum Zweck, eine Drehzahluntersetzung für die ztisätzliche Welle ohne erhebliche
Beeinträchtigung der Eigenfrequenzen zu ermöglichen. Es ergibt sich dadurch der
weitere Vorteil, daß der Abstand von Kurbelwellen voneinander und von der zusätzlichen
Welle sowie der Durchmesser der Zahnkränze der zusätzlichen Welle nicht unnötig
groß ausfallen und eine zu große Masse der zusätzlichen- Welle den Vorteil der geringeren
Elastizität mindestens zum Teil wieder aufhebt. Die-Verzahnungen am wellenseitigen
Ende einer Kurbelwange erstrecken sich dabei zweckmäßig über einen Zentriwinkel
von. mehr als i8o°. Da eine Kurbel somit nur während des einen Hubes unmittelbar
mit der zusätzlichen Welle verbunden ist, geschieht dies am besten während des stärker
belasteten. Hubes, so daß während des anderen Hubes die Leistung durch die anstoßenden
Kurbeln auf die zusätzliche Welle übertragen wird.
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Die Aussparungen in den Zahnkränzen der zusätzlichen Welle bedingen
ganzzahlige übersetzungsverhältnisse 1 : 1, 1 :2, 1 : 3 usw.
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Bei mehrreihigen Maschinen und 'mehreren Kurbelwellen können zwei
oder mehr Kurbelwellen mit einer zusätzlichen Welle verbunden sein, wodurch der
Vorteil erreicht wird, daß die Teilkreisdurchmesser der Verzahnungen und die Massen
der Wellen weiter verringert werden. Die Kurbeln zweier Kurbelwellen können derart
versetzt sein, daß die resultierende Kraft einer harmonischen Schwingungsordnung
der einen Kurbelwelle die resultierende Kraft derselben harmonischen Schwingungsordnung
der anderen Kurbelwelle nahezu oder ganz aufhebt. Durch Kurbelversetzung können
gegebenenfalls auch verbliebene freie Kräfte und Momente der beiden Kurbelwellen
gegeneinander ausgeglichen werden. Uni die zusätzliche 'Nelle als Glied in eine
Wellenleitung einzubauen bzw. mehrere Maschinengruppen zu einer Serie hintereinander
zu schalten, kann die zusätzliche Welle an beiden Enden mit Kupplungshälften verseben
sein. Die zusätzliche Welle kann eine zentrale Lohrung solcher Größe haben, daß
in der Bohrung eine elastische Welle angeordnet werden kann.
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Auf der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele des Gegenstandes
der Erfindung schematisch dargestellt.
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Fig. i zeigt eine zusätzliche Welle, die lediglich zur Versteifung
der Kurbelwelle dienen. soll.
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Fig. 2 bis .4 veranschaulichen Kurbelwellen mit Leistungsübertragung
und Drelizahluntersetzung t : 1, 1 : 2, 1 : 3 durch die zusätzliche Welle.
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Fig. 5 und b erliiutern die Anordnung %-on zwei versetzten Kurbelwellen
mit einer zusätzlichen Welle.
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Fig.7 gibt mehrere Kurbelwellen uni eine zusätzliche Welle herum angeordnet
wieder, deren Kurbelkreise sich überschneiden.
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Fig. 8 stellt einen Sterireilieninotor mit stillstehenden Zylindern
und unilaufender zusätzlicher Welle und Fig. 9 einen Sterire#ihenniotor finit
unilaufenden Zylindern und feststehender zusiitzlicher Welle dar.
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In Fig, i ist die Kurbelwelle a mit den Wellenzapfen b und den Kurlxlzapten
c finit konzentrisch zu den Wellenzapfen b angeordneten kreisförmigen Kurbelwangen
d versehen. Die Kurbelwangen d greifen finit ihrer Verzahnung c in die lieben der
Kurbelwelle angeordnete zusätzliche Welle j bzw. deren Zahnkranz g ein. Der Durchmesser
der zusätzlichen Welle j ist etwa doppelt so groll und ihr polares Flächenträgheitsinoinent
deshalb etwa 16 mal größer als bei der Kurbelwelle a.
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Die Eigenfrequenz ist unmittelbar proportional der Ouadratwürzel aus
dein T r:iglieitsinoment und umgekehrt proportional der Quadratwurzel aus den umlaufenden
Massen. Ohne Vergrößerung der Massen würde sonnt die Eigenfrequenz der Kurbelwelle
auf das Vierfache erhöht werden. Indem aber die Gesanitniasse durch die zusätzliche
Welle j ungefähr verdoppelt wird, dürfte die Erhöhung der Eigenfrequenz der Kurbelwelle
a. etwa das Dreifache betragen. Dies ist nur ein Beispiel, und in einem bestimmten
Fall ist die zu erzielende Erhöhung der Eigentreduenz durch die Lage der kritischen
Drehzahlen zuni Betriebsdrehzahlbereich der Kurbelwelle und durch konstruktive Erwägungen
bedingt.
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Hat die zusätzliche Welle f als Glied eines Getriebes weitere Funktionen,
z. B. des Leistungsübertragens,
zu erfüllen und ist damit ein bestimmtes
Übersetzungsverhältnis, z. B. i : i, verbunden, so müßten die Zahnkränze g der zusätzlichen
Welle f den gleichen Teilkreisdurchmesser wie die Verzahnung e der Kurbelwangen
d erhalten. Der Durchmesser der -zusätzlichen Welle f bzw. ihr Massenträgheitsmoment
würde damit in einem Maße vergrößert, daß der Vorteil der geringeren Elastizität
zum größten Teil wieder aufgehoben würde.
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Um den Nachteil einer zu großen Erhöhung der Massen zu vermeiden,
ist in den Fig. 2 bis 4 der Abstand der Kurbelwelle- a von der zusätzlichen Welle
h verringert, so daß die Kurbel i in den Raum der Zahnkränze lt der zusätzlichen
Welle la eindringt, weshalb diese Zahnkränze h mit Ausnehmungen m zum freien Durchgang
der Kurbeln i und der nichtgezeichneten Schubstangen versehen sind. Die Kurbelwangen
n der Kurbeln i sind lediglich an ihrem wellenseitigen Ende mit Verzahnungen o versehen,
die sich über einen Zentriwinkel von etwas mehr als 18o° erstrecken und periodisch
in den Zahnkranz-P. der zusätzlichen Welle f eingreifen. Damit der Eingriff nicht
unterbrochen wird, muß die Kurbelwelle a mindestens zwei um i8o° versetzte Kurbeln
i aufweisen oder an einer Stelle rieben den Kurbeln i bzw. am Ende mittels eines
Zahnradgetriebes mit der zusätzlichen Welle f verbunden sein.
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Bei der Übersetzung i : i in Fig. 2 ist eine, bei -den Untersetzungen
1 :2 und 1 :3 in Fig.3 und 4 sind zwei bzw. drei Ausnehmungen m -bedingt.
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Fig.5 zeigt die Verbindung von zwei Kurbelwellen p und q mit einer
zusätzlichen Welle r und einer Untersetzung i : 3. Die beiden Kurbelwellen p und
q können diametral oder unter beliebigem Winkel zur Achse der zusätzlichen Welle
r versetzt werden. Die Zeichnung zeigt eine Versetzung der Kurbelwelle q um 18o°
-f- io°, was ein Nacheilen der Kurbel s um 3o0 zur Kurbel t zur Folge hat. Dadurch
ergibt sich für eine harmonische Komponente der 6. Ordnung der Kurbelwelle q eine
Phasenverschiebung von 6 # 30 = 1800
gegenüber gier harmonischen Komponente
bleicher Ordnung der Kurbelwelle p. Infolgedessen wird die resultierende Komponente
der beiden Kurbelwellen p und q bei gleichen Kräften = o und bei ungleichen Kräften
auf die Differenz der beiden Kräfte verringert.
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Bei einer Versetzung der Kurbelwelle q um 180° -# 5° und einem entsprechenden
Nacheilen der Kurbel s gegenüber der Kurbel t. um 150 kann in gleicher Weise die
resultierende der harmonische Kräfte 12. Ordnung beider Kurbelwellen q und p auf
o oder auf ein. Minimum verringert werden. Was hier für zwei Wellen und eine Untersetzung
1 :3 beschrieben ist, gilt auch für mehrere Wellen mit beliebigen ganzzahligen Untersetzungsverhältnissen
und auch für den Fall, in dem Kurbelwellen verschiedener Art mit gleicher oder verschiedener
Kurbelzahl mit einer gemeinsamen zusätzlichen Welle zusammenarbeiten.
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In dem Grundriß in Fig. 6 mit den Kurbelwellen p und q und der gemeinsamen
zusätzlichen Welle r kann je nach der Verwendung bzw. nach der Art des Antriebes
die Leistung über den Kupplungsflansch u der zusätzlichen Welle r oder über
den Kupplungsflansch v der Kurbelwelle q oder über beide zugleich zu-bzw.
abgeleitet werden.
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In Fig. 7 sind die Kurbeln n, je -zweier nebeneinanderliegender Kurbelwellen
a derart versetzt, daß ihre Kurbelkreise x sich überschneiden. Die Kurbeln w sind
durch die Verzahnungen y zwangsläufig mit der zusätzlichen Wellet- verbunden. DieVerzahnungen
y sind gegenüber den Mittellinien N der Kurbeln w unsymmetrisch angeordnet, um trotz
der Überschneidung der Kurbelkreise x einen großen Zahnsektor zu erhalten. Die Überschneidung
der Kurbelkreise x ergibt den Vorteil-, daß der Abstand von je zwei nebeneinanderliegenden
Zylinderreihen verringert werden kann.
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Der Sternreihenmotor in Fig. 8 ist im Schnitt gezeigt. Er hat mehrere
Zylinderreihen a,', die aus mehreren in einer Reihe hintereinanderangeordneten-
Zylindern bestehen, wobei jede Reihe eine Kurbelwelle b' aufweist, die alle zwangsläufig
mit der zusätzlichen Welle c' verbunden sind. Die Zylinderreihen a.' mit den Kurbelwellen
b' sind feststehend, die zusätzliche Welle c dreht sich.
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Zum Unterschied zu Fig. 8 laufen in Fig. 9 die Zylinderreihen a,'
mit den Kurbelwellen b' um die feststehende zusätzliche Welle c '-
herum.
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Die zusätzliche Welle f bzw. r in den Fig. i, 5, 6 und 7 ist als gegossener
Hohlkörper gezeichnet. Die Bohrung d' (Fig. 6) ist dabei so groß, daß die elastische
Welle e' zur Weiterleitung der Leistung in der Bohrung angeordnet werden kann. In
den übrigen Figuren ist die zusätzliche Welle als vollgegossener oder aus einem
massiven Block geschmiedeter Teil aus irgendeinem für Zahnräder geeigneten Material
angenommen.
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Wenn die zusätzliche Welle in einen Wellenstrang eingebaut oder als
Glied einer Serie hintereinandergeschalteter, gleicher oder ähnlicher Maschinenaggregate
eingeschaltet wird, sind beiderseits der zusätzlichen Welle Kupplungsflanschen vorgesehen.
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Die Kurbelwellen sind alle aus dem Vollen geschmiedet angenommen und
mit aus dem
Vollen herausgearbeiteten Verzahnungen aus einem für
Zahnradübertragungen geeigneten WerkstofE versehen. Es können ebenso gebaute oder
halbgebaute Kurbelwellen zur Verwendung kommen. Die Verzahnungen können auch auf
die Kurbelwangen aufgeschrumpft, aufgekeilt oder mit Schrauben seitlich an sie angesetzt
werden. Dies gilt auch für die Zahnkränze der zusätzlichen Welle.
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Der Werkstoff der zusätzlichen Welle bzw. ihrer Zahnkränze und der
Verzahnungen der Kurbelwellen ist auf gute Laufeigenschaften gegeneinander abgestimmt.
Zur Verbesserung der Laufeigenschaften kann Vergütung, Härtung, Nitrierung oder
Verchromung der Zahnflanschen zur Anwendung kommen.
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Für Schiffsmaschinenanlagen kann die zusätzliche Welle als Zwischenwelle
des von der Hauptmaschine zum Propeller führenden Wellenstranges ausgebildet sein.
Durch die Verwendung einer zusätzlichen Welle wird es möglich, mittels der vorgenannten
Ausbildung dieser zusätzlichen Welle und der durch sie ermöglichten Untersetzung,
schnellaufende Motoren zur Erhöhung der Antriebsleistung bestehender Schiffsmaschinenanlagen
im Wellentunnel anzuordnen. Infolge der Untersetzung und der Verwendung von schnelllaufenden
Motoren können nämlich die Abinessungen eines solchen Aggregats auch bei größerer
Leistung kleingehalten werden.
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Insbesondere können solche Aggregate noch in der Weise vereinfacht
werden, daß sie als Brennkraftmaschinen ohne Anlaßvorrichtung und gegebenenfalls
ohne Regelvorrichtung ausgebildet werden, so daß, nachdem die Hauptmaschine in Gang
gebracht ist, mir die Brennstoffzufuhr zu den Zylindern solcher' Hilfsaggregate
einzuschalten ist. Dabei kann die Hauptmaschine sowohl eine Dampfkraft- als auch
eine Brennkraftmaschine sein.
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Die Verwendung von zusätzlichen Wellen ist nicht nur bei Kraftmaschinen,
wie z. B. Brennkraftniaschinen, sondern auch bei Arbeitsmaschinen, z. B. Kompressoren,
möglich, wobei die für den Antrieb dieser Kompressoren erforderliche Leistung von
der zusätzlichen Welle auf die Kurbelwelle übertragen wird.