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Viertaktbrennkraftmaschine mit zwölffach gekröpfter Kurbelwelle '
Die Erfindung betrifft eine Viertaktbrennkraftmaschine mit zwölffach gekröpfter
Kurbelwelle und regelmäßiger Kurbelversetzung.
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Es ist bekannt, bei derartigen zwölffach gekröpften Kurbelwellen die
Kurbelkröpfungen in den Reihenfolgen i, 6, 9, 2, 8, 3, i2, 7, 4, il, 5, iound i,
4, 8, 3, 7, 2, 12, 9, 5, io, 6, 1i anzuordnen. Diese beiden Kröpfungsfolgen ergeben
bei regelmäßiger Kurbelversetzung für Viertaktmaschinen einen vollkommenen Massenausgleich
der Kräfte i. und 2. Ordnung und der Momente i. und 2. Ordnung. Sie haben jedoch
den Nachteil, daß sie ein großes inneres Moment hervorrufen. Die an der Kolbenmaschine
auftretenden Kräfte setzen sich aus Zündkräften und Massenkräften zusammen. Während
die Zündkräfte in der Zylinderachse wirken, unterscheidet man bei den Massenkräften
zwei Arten: i. Massenkräfte, herrührend von den hin und her gehenden Massen, wie
Kolben, Kolbenstange, Kreuzkopf, und dem hin und her gehenden Anteil der Treibstange.
Diese Kräfte wirken wie Zündkräfte in Richtung der Zylinderachse. Durch die endliche
Treibstangenlänge spalten sich diese Massenkräfte in solche i. und 2. Ordnung, d.
h. in Kräfte auf, welche einmal bzw. zweimal pro Umdrehung ihre Kraftrichtung wechseln.
2.
Massenkräfte, herrührend von den umlaufenden Massen, wie Gegengewichte, umlaufender
Anteil der Treibstange, Kurbelkröpfung usw. Diese Massen ergeben Fliehkräfte, welche
senkrecht zur Kurbelwellenachse wirksam sind. Sie laufen um die Kurbelwellenachse
mit der Geschwindigkeit der Kurbelwelle um.
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Bei Mehrzylindermotoren greifen nun an jedem Zylinder vorstehend genannte
Kräfte an. Da aber die Zylinder räumlich voneinander getrennt sind, greifen die
einzelnen Kräfte in den Ebenen der einzelnen Zylinder an und ergeben somit, b°zogen
auf den Schwerpunkt, Momente.
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Betrachtet man den Motor als homogenen Träger, so erhält man die Belastung
desselben an den einzelnen Zylindern in der Vertikalebene, durch die Projektion
der Massen- und Zündkräfte eines jeden Zylinders auf die Vertikalebene. In der Horizontalebene
ergibt sich die Belastung zum selben Zeitpunkt durch die Projektion der Massen-
und Zündkräfte auf die Horizontalebene. Inder Abb. I a bis I c ist dies anschaulich
dargestellt. Ist P die jeweilige Kraft an einem Zylinder, so ergeben sich durch
die Projektion auf die Vertikal- bzw. Horizontalebene die zugehörigen Vertikal-
bzw. Horizontalkräfte. Die Kräfte werden nun über die Lager auf die Grundplatte
bzw. das Gestell übertragen. Unter Voraussetzung einer regelmäßigen Kurbelversetzung
ist die Summe dieser Kräfte = o, d. h. nach außen ist keine Kraft wirksam. Doch
suchen diese Kräfte den Träger zu verformen. Sie spielen sich also nur innerhalb
der Maschine ab und werden deshalri innere Kräfte genannt. Bezogen auf den Schwerpunkt
ergibt jeder Zylinder ein Moment. Die Summe der Momente ist im Fall der- 12-Zylinder-Maschine
nach außen vollkommen ausgeglichen. Die inneren Momente erhält man durch Konstruktion
des Seileckes, und zwar sowohl für die Horizontal- wie für die Vertikalebene. Abb.
1I zeigt die Konstruktion der inneren Momente in der Vertikalebene und Abb. III
in der Horizontalebene. Aus dem Verlauf der Momenten.linie kann die Durchbiegung
bestimmt werden. Die Abb.I bis III zeigen die Verhältnisse bei der für das innere
Moment ungünstigsten Kurbelstellung. Alle anderen Kurbelstellungen ergeben ein geringeres
inneres Moment.
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Die in der Vertikalebene wirkenden Zünd-und Massenkräfte suchen die
Maschine in der Vertikalebene zu verbiegen. Nachdem der Motor in dieser Ebene eine
sehr große Steifigkeit besitzt, ist die Betrachtung dieser Durchbiegung von untergeordneter
Bedeutung. Ausschlaggebend sind die Durchbiegungen in der Horizontalebene, die von
den Massenkräften der umlaufenden Klassen hervorgerufen werden. Für die folgende
Betrachtung werden also nur die Massenkräfte der umlaufenden Massen zugrunde gelegt.
Mit Rücksicht auf die Konstruktion der Maschine kann das umlaufende Moment innerhalb
der Maschine nur zum Teil durch Gegengewichte ausgeglichen werden und muß daher
zum größten Teil von der Grundplatte bzw. Maschinengestell aufgenommen werden. Neben
dein größeren Gewichtsaufwand ist die Verwendung von Gegengesichten mit Rücksicht
auf die Zugänglichkeit zu den Lagerstellen sehr unbequem. Solange es sich um stärkere,
z. B. Bußeiserne Maschinengestelle handelt, spielt dieses innere Moment eine untergeordnete
Rolle, da das Maschinengestell bzw. die Grundplatte jederzeit in der Lage ist, dieses
'Moment ohne Gefährdung aufzunehmen. Geht man jedoch zur Leichtbauweise über, wie
sie bei neuzeitlichen Brennkraftmaschinen, insbesondere für den Fahrzeug- und Schiffsantrieb
allgemein angestrebt wird, so kann dieses große innere Moment leicht zu einer gefährlichen
Verformung des Gestelles in Höhe der Kurbelwelle führen. Dies ist besonders bei
langen, also bei vielzylindrigen Maschinen zu befürchten.
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Erfindungsgemäß werden daher für eine zwölfkurbelige Viertaktbfennkraftmaschine
mit gleichmäßiger Kurbelversetzung die Kurbelkröpfungen in der Reihenfolge 1, 6,
1o, 2, 8, :1 ., 12, 7, 3, 11, 5, 9 angeordnet. Diese Kröpfungsfolge ergibt bei gleichzeitigem
vollkommenem Massenausgleich der Kräfte und Momente i. und 2. Ordnung ein so stark
verringertes inneres Moment, daß auch bei in Leichtbauweise hergestellten Brennkraftmaschinen
keine größeren gefährlichen Durchbiegungen des Gestells bzw. der Grundplatte zu
befürchten sind. Es wird das Gesamtgewicht der Brennkraftmaschine durch das Entfallen
bzw. durch die entsprechende Verkleinerung der Gegengewichte zum Ausgleich dieser
inneren Momente erheblich vermindert und das Anwendungsgebiet insbesondere hinsichtlich
des Fahrzeugantriebes wesentlich erweitert.
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In den Abb. i a bis 6 c sind die Kräfte- und Momentpläne der Kurbelfolge
nach der Erfindung denen der bekannten Kurbelfolgen gegenübergestellt. Es zeigt
Abb. i a den Kurbelstern der Kurbelfolge nach der Erfindung, Abb. i b bis i c die
Kurbelsterne mit den bekannten Kurbelfolgen, Abb. 2 a bis 2 c den vertikalen Kräfteangriff
an den Kurbelwellen, Abb. 3 a bis 3 c den horizontalen Kräfteangriff, Abb. 4 a bis
.Ic den Verlauf der aus den
vertikalen und horizontalen Kräfteangriffen
sich ergebenden inneren Momente, wobei der Verlauf der Momente aus den vertikalen
Kräften ausgezogen und der aus-den horizontalen Kräften gestrichelt ist, Abb. 5
a bis 5 c den Verlauf des resultierenden Momentes, Abb. 6 a bis 6 c die verhältnismäßige
Durchbiegung des Gestelles der Brennkraftmaschine. Die Abb. 6 a bis 6 c zeigen deutlich,
daß bei der Kurbelfolge nach der Erfindung (Abb. 6 a) die Durchbiegung sehr viel
kleiner ist als bei den beiden anderen bekannten Kurbelfolgen. Sie beträgt nur die
Hälfte von der ersten und den 4,5. Teil der zweiten. Infolgedessen ist es möglich,
leichtere Maschinengestelle zu verwenden und das Gesamtgewicht der Brennkraftmaschine
bei gleicher Maschinenleistung wesentlich herabzusetzen, da Gegengewichte ganz oder
teilweise entbehrlich sind.