DE9318308U1

DE9318308U1 - Hubkolbenmaschine

Info

Publication number: DE9318308U1
Application number: DE9318308U
Authority: DE
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 1993-12-01
Filing date: 1993-12-01
Publication date: 1995-03-30
Anticipated expiration: 2003-12-02

Description

Bezeichnung: Hubkolbenmaschine
Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere einen Verbrennungsmotor, mit wenigstens einem Zylinder, in dem ein mit einer Kurbelwelle in Verbindung stehender Kolben hin- und herbewegbar geführt ist.

Bei Hubkolbenmaschinen der vorstehend bezeichneten Art werden Zusatzaggregate der unterschiedlichsten Art, so beispielsweise auch die Bewegung von Ausgleichsmassen, die im Sinne der vorliegenden Erfindung ebenfalls als Zusatzaggregar gelten, unmittelbar über die Kurbelwelle, ggf. unter Zwischenschaltung von kinematisch formschlüssigen Verbindungen angetrieben. Ausgleichsmassen für den Ausgleich von freien Massenkräften einer derartigen Hubkolbenmaschine werden hierbei in Form von umlaufenden Unwuchtgewichten vorgesehen, die je nach Anwendungsfall auch in mit der Kurbelwelle in Verbindung stehenden Zahnrädern zum Antrieb von Nebenaggregaten und/oder Zusatzaggregaten vorgesehen sind.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Hubkolbenmaschine der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, bei der derartige Zusatzaggregate auch innerhalb des Maschinenkörpers angeordnet werden können, zumindest der Abgriff für die Betätigung mit kinematisch formschlüssigen Verbindungen innerhalb des Maschinenkörpers erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Kurbelwelle mit wenigstens einer, eine Steuerkontur aufweisenden mitdrehenden Kurvenscheibe verbunden ist, die als Betätigungsmittel auf wenigstens ein Zusatzaggregat einwirkt. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß derartige Kurvenscheiben auch innerhalb des Motorgehäuses im Bereich des Kurbelwellenraumes untergebracht werden können und zwar dadurch, daß eine Kurvenscheibe mit einer auf den jeweiligen Einsatzfall abgestimmten Steuerkontur unmittelbar mit der Kurbelwelle verbunden werden kann. Die Kurvenscheibe kann bei entsprechenden Anwendungsfällen selbstverständlich auch auf der Außenseite des Maschinenkörpers mit der Kurbelwelle verbunden werden. Die erforderliche Kraft- und/oder Bewegungswirkung, die für die Betätigung des oder der Zusatzaggregate benötigt wird, kann unmittelbar von der Steuerkontur abgegriffen werden. Dies ist auch in der Weise möglich, daß die Kurvenscheibe mit ihrer Steuerkontur innerhalb des Motorgehäuses angeordnet ist, wohingegen das Zusatzaggregat außerhalb des Maschinengehäuses angeordnet ist, wobei dann entsprechende übertragungsmittel zwischen der Kurvenscheibe und dem Zusatzaggregat vorgesehen sind, die durch die Wandung des Maschinengehäuses hindurchgeführt sind.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß als Zusatzaggregat wenigstens eine Ausgleichsmasse vorgesehen ist, die an der Hubkolbenmaschine in Abhängigkeit von der Kurbelwellendrehung hin- und herbewegbar geführt ist und die über eine Zwangssteuerung, insbesondere eine Federanordnung abgestützt ist. Mit Hilfe einer derartigen hin- und herbewegbar geführten Masse

ist es möglich, entweder oszillierende Massenkräfte, die durch die Pleuel und den Kolben verursacht werden, unmittelbar am Ort des Entstehens auszugleichen, beispielsweise dadurch, daß eine derartige Kurvenscheibe unmittelbar an der Kurbel angeordnet ist und die zugehörige Ausgleichsmasse in gleicher Wirkungsrichtung, jedoch mit entgegengesetztem Bewegungsablauf in der Hubkolbenmaschine vorzusehen. Insbesondere bei mehrzylindrigen Reihenhubkolbenmaschinen ist es dann möglich, ebenfalls noch innerhalb des Motorengehäuses derartige Ausgleichsmassen jeweils im Bereich der Kurbelwellenenden vorzusehen, um so die freien Massenmomente erster Ordnung durch eine entsprechende Bemessung des Ausgleichsmassenpaares auszugleichen. Dadurch, daß die Ausgleichsmassen möglichst dicht am ersten und am letzten Zylinder angeordnet sind, können die Ausgleichsmassen insgesamt verhältnismäßig klein gehalten werden. Der weitere Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung besteht darin, daß das Bewegungsgesetz der Ausgleichsmassen über die Steuerkontur der Kurvenscheibe vorgegeben werden kann. In der einfachsten Ausführungsform kann die Kurvenscheibe eine Kreiskontur aufweisen und mit ihrem Kreismittelpunkt exzentrisch zur Drehachse der Kurbelwelle mit dieser verbunden sein, wobei sich die Exzentrizität auf der bei einem Einzylindermotor auf der der Kurbelkröpfung abgekehrten Seite befindet. Bei einem Mehrzylindermotor, beispielsweise bei einem Reihenmotor mit einem Ausgleich der freien Massenmomente durch ein Ausgleichsmassenpaar, ist die Exzentrizität so vorzusehen, daß das durch die Ausgleichsmassen bewirkte Massenmoment dem Massenmoment der oszillierenden Triebwerksteile entgegengerichtet wirkt. Um die erforderliche Rückholbewegung bewirken zu können, wird anstelle einer aufwendigen mechanischen Ankoppelung die Abstützung über eine Federanordnung vorgesehen, so daß über die Steuerkontur die Masse in die eine Bewegungsrichtung bewegt wird und über die Federanordnung in die entgegengesetzte Bewegungsrichtung zurückgeführt wird. Um Resonanzen zu vermeiden, ist hierbei das Verhältnis der Eigenfrequenz des durch die Ausgleichsmasse und die zugehö-

rige Federanordnung gebildeten Feder-Masse-Systems zu der maximalen Drehzahl der Hubkolbenmaschine gezielt unterkritisch anzusetzen. Anstelle einer Federanordnung als bevorzugte Zwangssteuerung zur Aufrechterhaltung eines ständigen Kontaktes zwischen Steuerkontur und Zusatzaggregat hier der Ausgleichsmasse - können auch andere gleichwirkende Elemente eingesetzt werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung in Verbindung mit Ausgleichmassen als Zusatzaggregat besteht darin, daß es in raumsparender Weise möglich ist, bei entsprechender Ausgestaltung der Steuerkontur auch freie Massenmomente höherer Anordnung über derartige zusätzliche Ausgleichsmassen auszugleichen, wobei diese zusätzlichen Ausgleichsmassen praktisch in der gleichen Drehebene wie die Ausgleichsmassen zum Ausgleich der freien Momente erster Ordnung angeordnet werden können. Auch hier kann die Bewegung dieser Ausgleichsmassen unmittelbar über die Kurvenscheibe von der Kurbelwelle abgegriffen werden. Anders, als bei einer umlaufenden Unwucht, ist es dementsprechend in vorteilhafter Weise möglich, die Bewegungsrichtung der hin- und herbewegbaren Ausgleichsmasse auf die Wirkrichtung der auszugleichenden Massenkräfte und/oder Massenmomente abzustimmen, so daß sich hier definierbare oszillierende Kräfte und/oder Momente bewirken lassen.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Verlauf der Steuerkontur stetig ist. Hierdurch werden Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungssprünge in der übertragung auf die Ausgleichsmasse vermieden.

In zweckmäßiger weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Federanordnung eine progressive Kennlinie aufweist. Durch eine derartige Auslegung der Federanordnung ergibt sich eine einfachere Unterdrückung der Resonanz im Betriebsbereich. Zweckmäßig ist es hierbei, wenn die Federanordnung unter Vorspannung mit der Aus-

gleichsmasse verbunden ist, so daß ein Abheben der Ausgleichsmasse von der Steuerkontur mit Sicherheit vermieden ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zwischen der Steuerkontur und der Ausgleichsmasse ein Rollelement angeordnet ist, um eine Gleitreibung zwischen Ausgleichsmasse und Steuerkontur zu vermeiden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ausgleichsmasse über Führungsmittel mit der Hubkolbenmaschine verbunden ist. Durch die Anordnung derartiger Führungsmittel werden die gegebenen Kippmöglichkeiten einer Federanordnung ausgeschlossen, so daß hier eine präzise richtungsstabile Führung der Ausgleichsmasse möglich ist. Die Führungsmittel können durch Gleitbahnen, Schleppoder Kipphebel gebildet werden. Insbesondere bei der Verwendung von Hebeln als Führungsmittel besteht in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, die Federanordnung als Torsionsfeder auszubilden. Die Torsionsfeder wird hierbei im Bereich der Anlenkung des Hebels mit diesem verbunden, dessen anderes Ende an der Steuerkontur anliegt. Der Hebel kann hierbei als Übertragungsmittel ausgebildet sein, daß auf eine Masse einwirkt. Besonders zweckmäßig ist es jedoch, wenn der Hebel selbst die Ausgleichsmasse bildet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ausgleichsmasse mit wenigstens einem weiteren Zusatzaggregat in Wirkverbindung steht. Hierbei ist es besonders zweckmäßig, wenn die weiteren Zusatzaggregate mit den als Schlepp- oder Kipphebel ausgebildeten Führungsmittel in Verbindung stehen. Hierbei besteht dann die Möglichkeit, die Kinematik der Ausgleichsmassen zum Abdecken von Selbstfunktionen in der Hubkolbenmaschine, &zgr;. &Bgr;. für die Schmierölversorgung oder für die Druckluftversorgung von Zusatzgeräten abzudecken.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Grundaufbau,

Fig. 2 eine Ausgestaltung der Anordnung für

einen Massenausgleich.

In Fig. 1 ist in einer Stirnansicht eine Kurbel 1 einer Kurbelwelle einer hier nicht näher dargestellten Hubkolbenmaschine, beispielsweise eines Verbrennungsmotors dargestellt, Die Kurbel 1 besteht im wesentlichen aus einer Kurbelwellenachse 2, mit der über zwei parallel zueinander verlaufende Kurbelwangen 3 ein Kurbelzapfen 4 verbunden ist. Auf der dem Kurbelzapfen 4 abgekehrten Seite ist die Kurbelwange 3 als Gegengewicht 5 ausgestaltet, so daß die auf einer Kreisbahn um die Drehachse 6 der Kurbelwellen 2 umlaufenden Massenteile des hier nicht näher dargestellten Kurbeltriebes, also im wesentlichen der Kurbelzapfen 4 sowie der am Kurbelzapfen 4 angelenkte und mit diesem umlaufende, hier nicht näher dargestellte Teil des Pleuels im wesentlichen ausgewuchtet sind.

Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine Einzy linder hubkolbenmaschine zugrunde gelegt, deren Zylinder bei dieser Darstellung sich senkrecht über der Kurbelwellenachse befindet, wie dies durch die Zylinderachse 7 angedeutet ist, so daß sich in der dargestellten Position der Kolben in der oberen Totlage befindet. Im Betrieb können durch das Gegengewicht 5 dementsprechend die durch Kolben, Kolbenbolzen und oberen Teil des Pleuels gebildeten oszillierenden Massen nicht ausgeglichen werden, so daß freie Massenkräfte in Richtung der Zylinderachse 7 wirksam werden. Bei Mehrzylindermotoren machen sich diese freien Massenkräfte bzw. Massenmomente dann - bezogen auf die Hubkolbenmaschinen insgesamt - als entsprechende translatorische und/oder rotatorische Bewegungen bemerkbar.

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Oszillierende Massenkräfte wurden bisher durch gegenläufig umlaufende ünwuchten ausgeglichen, die dann entsprechend in Gegenrichtung wirksamen Massenkräfte erzeugen, durch die die freien Massenkräfte bzw. freien Massenmomente der hin- und hergehenden Triebwerksteile kompensiert werden konnten.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten schematischen Beispiel ist für den Massenausgleich einer Einzylinderhubkolbenmaschine eine Kurvenscheibe 8 vorgesehen, die mit der Kurbelwelle 2 fest verbunden ist und mit dieser umläuft. Die Außenkontur der Kurvenscheibe 8 stellt hierbei die Steuerkontur dar. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Steuerkontur durch einen kreis gebildet, so daß zur Erzeugung eines entsprechenden Gegenhubes zum Kurbelzapfen die Kurvenscheibe 8 mit ihrem Mittelpunkt 10 exzentrisch zur Drehachse 6 der Kurbelwellenachse 2 angeordnet ist. Die Ausrichtung dieser Exzentrizität ist so vorgesehen, daß sie genau entgegengesetzt zu dem durch den Kurbelzapfen 4 definierten Kurbelarm ausgerichtet ist.

In Verlängerung der Zylinderachse 7 bzw. in einer durch die Drehachse der Kurbelwelle einerseits und der Zylinderachse 7 andererseits definierten Ebene verlaufende Achse, die parallel zur Zylinderachse 7 verläuft, ist eine Ausgleichsmasse 11 angeordnet, die in entsprechenden Führungen 12, beispielsweise einer schematisch dargestellten Gleitführung, hin- und herbewegbar gelagert ist. Die Ausgleichsmasse 11 liegt über ein Rollelement 14 an der Steuerkontur 9 der Kurvenscheibe 8 an und ist über eine Federanordnung 13 am Maschinenkörper fest abgestützt. Bei Drehung der Kurbelwelle 1 bewegt sich somit die Ausgleichsmasse 11 immer in Gegenrichtung zu dem vom Kurbelzapfen 4 geführten Kolben.

Bei entsprechender Abstimmung der Ausgleichsmasse 11 und der Exzentrizität, d. h. das Abstandes zwischen der Kurbel-

wellenachse 6 und dem Mittelpunkt 10 der Kurvenscheibe werden somit die oszillierenden Massenkräfte kompensiert.

Die Kurvenscheibe 8 kann hierbei auch zugleich Teil der Kurbelwange 3 sein und das Gegengewicht 5 kann in gleicher Weise in die Kurvenscheibe 8 integriert sein. Um' das Auftreten von freien Massenmomenten zu vermeiden, würden bei einem Einzylindermotor beide Kurbelwangen mit entsprechenden Kurvenscheiben 8 versehen sein, die auf jeweils eine Ausgleichsmasse einwirken. Oder aber die Ausgleichsmasse 11 wäre mit ihrer Wirkungsrichtung genau in Verlängerung der Zylinderachse 7 unterhalb der Kurbel anzuordnen. Die Federanordnung 13, die hier schematisch nur als Schraubenfeder dargestellt ist, sollte weitgehend dämpfungsfrei sein und so ausgelegt sein, daß die Eigenfrequenz des durch die Ausgleichsmasse 11 und die Federanordnung 13 gebildeten Feder-Masse-Systems mit seiner Eigenfrequenz oberhalb der Betriebsfrequenz liegt.

Wie eingangs bereits dargelegt, ist die Ausgleichsmasse als "Zusatzaggregat" definiert. Dementsprechend ist es auch möglich, zusätzlich oder anstelle der Ausgleichsmasse 11 über die Steuerkontur 9 der Kurvenscheibe 8 ein für die Maschinenfunktion erforderliches Zusatzaggregat anzutreiben, beispielsweise einen Druckerzeuger für die Schmierölversorgung oder zur Erzeugung von Druckluft.

In Fig. 2 ist schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist wieder, wie vorbeschrieben, eine Kurvenscheibe 8 mit einer Steuerkontur 9 verbunden. An der Steuerkontur 9 liegt über ein Rollelement 14 ein Hebel 16 an, der mit seinem anderen Ende am Maschinengehäuse 15 hin- und herschwenkbar gelagert ist. Für eine Ausgleichsmasse als Zusatzaggregat ist hierbei die Möglichkeit gegeben, den Hebel 16 so zu bemessen, daß er zugleich die Ausgleichsmasse darstellt. Der hier zugleich als Ausgleichsmasse wirkende Hebel 16 kann nun wiederum über eine Schraubenfeder abgestützt werden.

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Zweckmäßig ist es jedoch, wenn der Hebel 16, wie hier schematisch dargestellt, über eine Torsionsfeder 13.1 am Maschinengehäuse 15 abgestützt ist. Der Vorteil der Verwendung einer Torsionsfeder besteht insbesondere darin, daß diese platzsparend auch in der ölwanne verlaufen kann, ohne daß hier durch das die Torsionsfeder 13.1 umgebende Öl nennenswerte Verdrängungsarbeit aufgenommen wird.

Die schematische Darstellung in Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei der die Torsionsfeder 13.1 sich parallel zur Drehachse der Kurbelwelle erstreckt. Es ist aber bei entsprechender Gestaltung des Rollelementes 14 auch möglich, die Torsionsfeder 13.1 quer zur Drehachse 6 der Kurbelwellenachse 2 auszurichten, wobei darüber hinaus auch die Möglichkeit besteht, den als Ausgleichsmasse ausgebildeten Hebel 16 in den Bereich unterhalb der Kurbel, jedoch außerhalb des Flugkreises anzuordnen.

Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß auch hier anstelle einer Ausgleichsmasse oder zusätzlich zu einer Ausgleichsmasse weitere Zusatzaggregate mit dem Hebel 16 verbunden werden können, so daß die Kinematik dieses Hebels für den Antrieb entsprechender Zusatzaggregate zur Verfügung steht.
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Die Steuerkontur 9 der Kurvenscheibe 8 muß nicht zwangsläufig als Kreis ausgebildet sein, sondern kann in Abstimmung auf die gewünschte Kinematik des anzutreibenden Zusatzaggregates gestaltet werden, wobei der Verlauf der Steuerkontur 9 als stetige Kurve ausgeführt sein sollte, um hier Beschleunigungssprünge zu vermeiden. So ist beispielsweise die Form eines Nockens oder ähnlicher mathematischer stetiger Kurven, die für die gewünschte Kinematik verwendbar sind, möglich.

Bei Hubkolbenmaschinen mit mehreren Zylindern müssen beispielsweise bei einer Reihenmaschine entsprechend jedem Kolben eine entsprechende Ausgleichsmasse zugeordnet werden

oder aber ein Ausgleichsmassenpaar vorgesehen werden, das zweckmäßigerweise im Bereich des ersten und des letzten Zylinders angeordnet ist und über das das auftretende freie Massenmoment durch ein entsprechendes Gegenmoment kompensiert wird.

Bei Hubkolbenmaschinen mit anderen Geometrien, beispielsweise V-Motoren o. ä. bietet diese Form des Massenausgleichs die Möglichkeit, die durch die Führung definierte Bewegungsrichtung der Ausgleichsmasse in ihrer Richtung so anzuordnen, daß auch anders gerichtete freie Massenmomente kompensiert werden können.

Es ist auch möglich, zum Ausgleich von Massenkräften höherer Ordnung und/oder eines Massenmomentes höherer Ordnung, z. B. einer Massenkraft und/oder eines Massenmomentes der zweiten Ordnung, eine zusätzliche Ausgleichsmasse bzw. ein zusätzliches Ausgleichsmassenpaar vorzusehen, das in einer anderen Ausrichtung angeordnet ist als das Ausgleichsmassenpaar zum Ausgleich der Massenkräfte erster Ordnung, das normalerweise in Zylinderrichtung ausgerichtet ist. Dies ist für Reihendreizylinder und Reihenvierzylinder von Bedeutung. Je nach Gestaltung der zwischen den verschiedenen Ausgleichsmassen vorgesehenen Übertragungsmittel in Form von Hebeln oder dergl., besteht auch die Möglichkeit, zwei Kurvenscheiben mit unterschiedlichen Steuerkonturen oder nur unterschiedlich in ihrer Wirkrichtung ausgerichteten Steuerkonturen nebeneinander anzuordnenden bzw. in einer Scheibe zusammenzufassen.

Claims

Schutzansprüche:

1. Hubkolbenmaschine, insbesondere Verbrennungsmotor,

mit wenigstens einem Zylinder, in dem ein mit einer Kurbelwelle in Verbindung stehender Kolben hin- und herbewegbar geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (1) mit wenigstens einer, eine Steuerkontur (9) aufweisenden, mitdrehenden Kurvenscheibe (8) verbunden ist, die als Betätigungsmittel auf wenigstens ein Zusatzaggregat (11) einwirkt.

2. Hubkolbenmaschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzaggregat (11) wenigstens eine Ausgleichsmasse vorgesehen ist, die an der Hubkolbenmaschine in Abhängigkeit von der Kurbelwellendrehung hin- und herbewegbar geführt ist und die über eine,Zwangssteuerung, insbesondere eine Federanordnung (13; 13.1) abgestützt ist.

3. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsrichtung der Ausgleichsmasse (11) auf die Wirkrichtung der auszugleichenden Massenkräfte und/oder Massenmomente abgestimmt ist.

4. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Steuerkontur (9) stetig ist.

5. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Federanordnung (13) eine progressive Kennlinie aufweist.

6. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Federanordnung unter Vorspannung mit der Ausgleichsmasse (11) verbunden ist.

7. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Steuerkontur (9)

und der ausgleichsmasse (11) ein Rollelement (14) angeordnet ist.

8. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsmasse (11) über Führungsmittel (16) mit der Hubkolbenmaschine verbunden ist.

9. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsmasse (11) mit wenigstens einem weiteren Zusatzaggregat in Wirkverbindung steht.

10. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenscheibe (8) mit einer Wange (3) einer Kurbel (2) der Kurbelwelle (1) verbunden ist.