WO2005103526A1 - Brennkraftmaschine mit innerer verbrennung - Google Patents

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    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/22—Compensation of inertia forces
    • F16F15/26—Compensation of inertia forces of crankshaft systems using solid masses, other than the ordinary pistons, moving with the system, i.e. masses connected through a kinematic mechanism or gear system
    • F16F15/264—Rotating balancer shafts

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with at least one cylinder, a crankshaft on which a first drive wheel is provided, at least one camshaft on which a second drive wheel is provided, a drive member which wraps around the first drive wheel and the second drive wheel, and with at least one mass balance shaft, which is in engagement with the drive member between the crankshaft and the camshaft via a further drive wheel and is driven in this way.
  • an internal combustion engine In many applications, the size and weight of an internal combustion engine are critical sizes that must be kept as small as possible. In many cases, further requirements include a simple structure and inexpensive producibility. This applies in particular to small internal combustion engines, such as those installed in work equipment, such as lawnmowers or chainsaws or motorcycles. Since these small internal combustion engines can only be realized in a sensible manner as single-cylinder internal combustion engines, it is often necessary to provide a balancing shaft in order to compensate for the first order free forces in particular. Such a mass balance shaft naturally leads to a more complex structure and increases the volume and weight of the internal combustion engine.
  • One of the tasks is to find a solution that minimizes the additional effort and allows both the construction volume and the weight to be kept to a minimum.
  • a balancing device for an internal combustion engine is known from FR 2 757 239 A, in which a tensioning shaft for a toothed belt has a balancing weight.
  • a similar solution is described in FR 2 328 842 A. Both solutions have in common that the tension of the drive element is superimposed by the forces that effect the mass balance. As a result, an additional periodic force is exerted on the drive element, which leads to an undesirable load on the drive element and other components of the internal combustion engine. machine leads.
  • the drive member is tensioned by additional wheels which are mounted so as to be displaceable transversely to their axis. Such solutions are described for example in DE 28 29 042 A, DE 26 49 467 A or JP 62-188835 A.
  • the adjustment path of the tensioning device must be relatively large, in order to be able to take into account the short-term, for example, thermally-induced changes in length of the drive element and, on the other hand, to be able to absorb the longer-term changes in length, for example due to wear and expansion.
  • the phase position of the individual wheels changes relatively strongly to one another in the course of the adjustment, which, for example, adversely affects the mass balance.
  • the object of the invention is to avoid these disadvantages and to provide a solution which can compensate for both short-term and longer-term changes in length of the drive means equally without disadvantages.
  • the drive link is designed as a chain and that the tensioning device is designed as a tensioning rail which is provided on the section of the chain opposite the balancing shaft.
  • the further drive wheel engages the drive member from the outside.
  • this measure ensures that the mass balance shaft rotates in the opposite direction to the crankshaft.
  • this measure increases the wrap angle of the drive means around the first and the second drive wheel, so that the power transmission is significantly improved and the risk is minimized that the chain or the toothed belt jumps over in the event of impact loads.
  • the further drive wheel presses one section of the drive member so far inward that it comes close to the other section of the drive member. In this way, wrap angles of 180 ° and more can be achieved.
  • the mass balance shaft is mounted so as to be adjustable transversely to its axis.
  • the operational tension of the drive element is carried out by the tensioning rail, whereby the eccentric bearing of the mass balance shaft also provides an adjustment option to compensate for long-term changes in length of the drive element.
  • the mass balance shaft is arranged in the crankcase, if the axis of the mass balance shaft passes through the areas covered by the connecting rod of the internal combustion engine and if it lies directly next to the area covered by the connecting rod.
  • the offset of the mass balance shaft in the axial direction of the crankshaft causes unbalanced first-order moments in this solution, which are, however, relatively small due to the small lever arm.
  • a positive aspect of this solution is that the mass balance shaft results in virtually no structural enlargement of the internal combustion engine.
  • a further simplification and increase in the integration density can be achieved if the internal combustion engine is designed as a single-cylinder, four-stroke internal combustion engine. This is particularly important for the competitiveness of small four-stroke internal combustion engines in relation to two-stroke internal combustion engines.
  • a structurally particularly simple embodiment variant of the invention is given when the mass balance shaft is mounted via an eccentric.
  • the adjustment of the chain tension is also considerably simplified in this way.
  • mass balance shaft is mounted together with the guide rail via an eccentric. In this way, an optimal configuration of the individual components relative to one another can be ensured, regardless of the respective adjustment position.
  • the present invention relates to a chain saw with an internal combustion engine of the type described above.
  • the invention is explained in more detail below on the basis of the exemplary embodiments illustrated in the figures. Show it:
  • Figure 1 is a side view of the essential parts of an internal combustion engine according to the invention.
  • FIG. 2 shows the embodiment variant of FIG. 1 from the opposite side
  • FIGS. 1 and 2 shows a further view of the embodiment of FIGS. 1 and 2;
  • FIG. 4 shows a further embodiment variant of the invention in a representation corresponding to that of FIG. 2.
  • crankshaft 1 to 3 has a crankshaft 1 to which a piston 3 is articulated via a connecting rod 2.
  • the crankshaft 1 is fixedly connected to a first drive wheel 4, while the overhead camshaft 7 is fixedly connected to a second drive wheel 5.
  • the two drive wheels 4, 5 are operatively connected by a drive link 6 in the form of a chain 6 which wraps around it.
  • Another drive wheel 10 engages in the outside of the drive member 6 so as to drive a mass balance shaft 8 with a balance weight 9 at crankshaft speed in the opposite direction. Since the drive member 6 is pressed in this way, it is achieved that the wrap angle ⁇ of the drive member 6 by the first drive wheel 4 and the wrap angle ⁇ by the second drive wheel 5 are greater than 180 ° and in the range of are about 200 °. In this way, a larger number of teeth on the drive wheels 4 and 5 are engaged at the same time, which significantly improves the security of the transmission.
  • a tensioning rail 11 engages on the chain center opposite the further drive wheel 10 and presses it outwards. This creates additional space for the further drive wheel 10, so that its axis 8a lies insignificantly next to a plane spanned by axis la of crankshaft 1 and axis 7a of camshaft 7. This enables an optimal mass balance to be achieved.
  • the mass balance shaft 8 is mounted on an eccentric 18 and is designed to be adjustable in this way. Together with the mass balance shaft 8, a guide rail 19 is mounted over the eccentric, so that the position of the guide rail 19 adapts optimally to the drive wheel 10 of the mass balance shaft 8, thereby ensuring that the chain that forms the drive link 6 runs smoothly ,
  • the present invention makes it possible to equip an internal combustion engine, which is particularly suitable for driving a chainsaw, with a mass balance without causing any significant additional structural expenditure.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung mit mindestens einem Zylinder, einer Kurbelwelle (1), auf der ein erstes Antriebsrad (4) vorgesehen ist, mindestens einer Nockenwelle (7), auf der ein zweites Antriebsrad (5) vorgesehen ist, einem Antriebsglied (6), das das erste Antriebsrad (4) und das zweite Antriebsrad (5) umschlingt, sowie mit mindestens einer Massenausgleichswelle (8), die über ein weiteres Antriebsrad (10) mit dem Antriebsglied (6) zwischen der Kurbelwelle (1) und der Nockenwelle (7) in Eingriff steht und auf diese Weise angetrieben ist. Eine wesentliche Vereinfachung des Aufbaus wird dadurch erreicht, dass das Antriebsglied (6) als Kette ausgebildet ist und dass die Spannvorrichtung als Spannschiene (11) ausgebildet ist, die an dem der Massenausgleichswelle (8) gegenüberliegenden Abschnitt der Kette vorgesehen ist.

Description

Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung mit mindestens einem Zylinder, einer Kurbelwelle, auf der ein erstes Antriebsrad vorgesehen ist, mindestens einer Nockenwelle, auf der ein zweites Antriebsrad vorgesehen ist, einem Antriebsglied, das das erste Antriebsrad und das zweite Antriebsrad umschlingt, sowie mit mindestens einer Massenausgleichswelle, die über ein weiteres Antriebsrad mit dem Antriebsglied zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle in Eingriff steht und auf diese Weise angetrieben ist.
In vielen Anwendungen sind die Baugröße und das Gewicht einer Brennkraftmaschine kritische Größen, die so gering als möglich gehalten werden müssen. Weitere Anforderungen sind in vielen Fällen ein einfacher Aufbau eine kostengünstige Herstellbarkeit. Dies trifft insbesondere auf kleine Brennkraftmaschinen zu, wie sie in Arbeitsgeräten, wie etwa Rasenmähern oder Kettensägen oder Motorrädern eingebaut sind. Da diese kleinen Brennkraftmaschinen in sinnvoller Weise nur als Einzylinder-Brennkraftmaschinen realisierbar sind, ist es vielfach notwendig, ein Massenausgleichswelle vorzusehen, um vor allem die freien Kräfte erster Ordnung zu kompensieren. Eine solche Massenausgleichswelle führt naturgemäß zu einem komplexeren Aufbau und vergrößert Bauvolumen und Gewicht der Brennkraftmaschine.
Eine Aufgabe ist es dabei, eine Lösung zu finden, bei der der zusätzliche Aufwand minimiert wird und sowohl das Bauvolumen als auch das Gewicht in geringen Grenzen gehalten werden können.
Aus der US 4,644,916 A und der US 5,564,380 A sind Brennkraftmaschinen mit einer Massenausgleichswelle bekannt, bei denen die Massenausgleichswelle platzsparend im V-Raum zwischen zwei Zylinderbänken angeordnet ist. Eine solche Lösung ist für großvolumige Brennkraftmaschinen sinnvoll realisierbar, kann jedoch nicht auf kleine Brennkraftmaschinen, insbesondere auf Einzylinder- Brennkraftmaschinen, angewendet werden.
Aus der FR 2 757 239 A ist eine Ausgleichseinrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der eine Spannwelle für einen Zahnriemen ein Ausgleichsgewicht aufweist. Eine ähnliche Lösung ist in der FR 2 328 842 A beschrieben. Beiden Lösungen ist gemeinsam, dass die Spannung des Antriebsgliedes durch die Kräfte überlagert wird, die den Massenausgleich bewirken. Es wird dadurch auf das Antriebsglied eine zusätzliche periodische Kraft ausgeübt, die zu einer unerwünschten Belastung des Antriebsgliedes und anderer Bauteile der Brennkraft- maschine führt. Bei weiteren bekannten Lösungen wird das Antriebsglied durch zusätzliche Räder gespannt, die quer zu ihrer Achse verschiebbar gelagert sind. Solche Lösungen sind beispielsweise in der DE 28 29 042 A, der DE 26 49 467 A oder der JP 62-188835 A beschrieben. Bei solchen Lösungen muss der Verstellweg der Spanneinrichtung relativ groß sein, um einerseits den kurzfristigen z.B. thermisch bedingten Längenänderungen des Antriebsgliedes Rechnung tragen zu können und um andererseits die längerfristigen Längenänderungen beispielsweise durch Verschleiß und Dehnung aufnehmen zu können. Dadurch ändert sich im Zuge der Verstellung die Phasenlage der einzelnen Räder relativ stark zueinander, was beispielsweise den Massenausgleich in ungünstiger Weise beeinflusst.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Lösung anzugeben, die sowohl kurzfristige als auch längerfristige Längenänderungen des Antriebsmittels gleichermaßen ohne Nachteile ausgleichen kann.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Antriebsglied als Kette ausgebildet ist und dass die Spannvorrichtung als Spannschiene ausgebildet ist, die an dem der Massenausgleichswelle gegenüberliegenden Abschnitt der Kette vorgesehen ist. Dies ist günstig, da die Kette innerhalb des Kurbelgehäuses umläuft und daher die Massenausgleichswelle sehr knapp am Kurbeltrieb angeordnet werden kann, ohne Wellenabdichtungen vornehmen zu müssen.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das weitere Antriebsrad von außen in das Antriebsglied eingreift. Durch diese Maßnahme werden verschiedenen Vorteile erreicht. Zum einen wird dadurch sichergestellt, dass sich die Massenausgleichswelle gegenläufig zur Kurbelwelle dreht. Darüber hinaus wird durch diese Maßnahme der Umschlingungswinkel des Antriebesmittels um das erste und das zweite Antriebsrad erhöht, so dass die Kraftübertragung wesentlich verbessert wird und die Gefahr minimiert wird, dass bei stoßartigen Belastungen ein Überspringen der Kette bzw. des Zahnriemens stattfindet. Besonders bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, wenn das weitere Antriebsrad den einen Abschnitt des Antriebsgliedes so weit nach innen drückt, dass dieser in die Nähe des anderen Abschnittes des Antriebsgliedes kommt. Auf diese Weise können Umschlingungswinkel von 180° und mehr realisiert werden.
In einer besonders begünstigte Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Massenausgleichswelle quer zu ihrer Achse verstellbar gelagert ist. Dabei erfolgt die betriebsmäßige Spannung des Antriebsgliedes durch die Spannschiene, wobei jedoch zusätzlich durch die exzentrische Lagerung der Massenausgleichswelle eine Verstellmöglichkeit gegebenen ist, um längerfristige Längenänderungen des Antriebsgliedes auszugleichen. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Antriebsglied durch die Massenausgleichskräfte nicht beeinflusst wird und dass gleichzeitig durch die Bewegungen der Spannvorrichtung praktisch keine nennenswerte Phasenänderung der sich drehenden Bauteile der Brennkraftmaschine verursacht wird.
Im Hinblick auf die mechanisch Belastungen der Brennkraftmaschine um im Hinblick auf andere bauliche Aspekte hat es sich als besonders günstig herausgestellt, wenn die Massenausgleichswelle näher bei der Kurbelwelle liegt als bei der Nockenwelle.
Im Hinblick auf möglichst kompakte Außenabmessungen hat es sich weiter als besonders begünstigt herausgestellt, wenn die Massenausgleichswelle im Kurbelgehäuse angeordnet ist, wenn die Achse der Massenausgleichswelle durch den vom Pleuel der Brennkraftmaschine überstrichenen Bereichen durchgeht und wenn sie unmittelbar neben dem vom Pleuel überstrichenen Bereich liegt. Durch den Versatz der Massenausgleichswelle in Axialrichtung der Kurbelwelle werden bei dieser Lösung zwar unausgeglichene Momente erster Ordnung hervorgerufen, die jedoch aufgrund des geringen Hebelarmes relativ gering sind. Positiv bei dieser Lösung ist jedoch, dass durch die Massenausgleichswelle praktisch keinerlei bauliche Vergrößerung der Brennkraftmaschine resultiert.
Eine weitere Vereinfachung und Erhöhung der Integrationsdichte kann erreicht werden, wenn die Brennkraftmaschine als Einzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschi- ne ausgebildet ist. Dies ist insbesondere auf die Konkurrenzfähigkeit von kleinen Viertakt-Brennkraftmaschinen in Bezug auf Zweitakt-Brennkraftmaschinen von wesentlicher Bedeutung.
Besonders günstig ist es, wenn gemeinsam mit der Massenausgleichswelle eine Führungsschiene gelagert ist. Auf diese Weise kann ein besonders ruhiger Lauf der Kette erzielt werden.
Eine konstruktiv besonders einfache Ausführungsvariante der Erfindung ist gegebenen, wenn die Massenausgleichswelle über ein Exzenter gelagert ist. Auch die Verstellung der Kettenspannung wird auf diese Weise erheblich vereinfacht.
Darüber hinaus es von besonderem Vorteil, wenn die Massenausgleichswelle gemeinsam mit der Führungsschiene über ein Exzenter gelagert ist. Dadurch kann unabhängig von der jeweiligen Verstellposition eine optimale Konfiguration der einzelnen Bauteile zueinander sichergestellt werden.
Weiters betrifft die vorliegende Erfindung eine Kettensäge mit einer Brennkraftmaschine der oben beschriebenen Art. In der Folge wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine seitliche Ansicht der wesentlichen Teile einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;
Fig. 2 eine Darstellung der Ausführungsvariante von Fig. 1 von der gegenüberliegenden Seite;
Fig. 3 eine weitere Ansicht des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 und 2;
Fig. 4 eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung in einer Darstellung entsprechend der von Fig. 2.
Die Brennkraftmaschine der Fig. 1 bis Fig. 3 besitzt eine Kurbelwelle 1, an der über ein Pleuel 2 ein Kolben 3 angelenkt ist. Die Kurbelwelle 1 ist fest mit einem ersten Antriebsrad 4 verbunden, während die oben liegende Nockenwelle 7 fest mit einem zweiten Antriebsrad 5 verbunden ist. Die beiden Antriebsräder 4, 5 sind durch ein Antriebsglied 6 in Form einer Kette 6 in Wirkverbindung, die diese umschlingt. Ein weiteres Antriebsrad 10 greift außen in das Antriebsglied 6 ein, um so eine Massenausgleichswelle 8 mit einem Ausgleichsgewicht 9 mit Kurbelwellendrehzahl gegenläufig zu dieser anzutreiben. Da das Antriebsglied 6 auf diese Weise nach innen gedrückt wird, wird erreicht, dass der Umschlingungs- winkel α des Antriebsglied 6 um das erste Antriebsrad 4 und der Umschlingungs- winkel ß um das zweite Antriebsrad 5 größer als 180° sind und in dem Bereich von etwa 200° liegen. Auf diese Weise wird eine größere Anzahl von Zähnen an den Antriebsrädern 4 und 5 gleichzeitig in Eingriff gebracht, was die Sicherheit der Übertragung wesentlich verbessert.
Eine Spannschiene 11 greift auf dem dem weiteren Antriebsrad 10 gegenüberliegenden Kettentrum an, und drückt dieses nach außen. Dadurch wird zusätzlich Platz für das weitere Antriebsrad 10 geschaffen, so dass dessen Achse 8a unwesentlich neben einer Ebene liegt, die von der Achse la der Kurbelwelle 1 und der Achse 7a der Nockenwelle 7 aufgespannt ist. Dadurch kann ein optimaler Massenausgleich erreicht werden.
Bei der Ausführungsvariante von Fig. 4 ist die Massenausgleichswelle 8 auf einem Exzenter 18 gelagert und auf diese Weise verstellbar ausgeführt. Gemeinsam mit der Massenausgleichswelle 8 ist eine Führungsschiene 19 über das Exzenter gelagert, so dass sich die Stellung der Führungsschiene 19 jeweils in optimaler Weise an das Antriebsrad 10 der Massenausgleichswelle 8 anpasst, wodurch ein ruhiger Lauf der Kette, die das Antriebsglied 6 bildet, gewährleistet ist. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, eine Brennkraftmaschine, die insbesondere für einen Antrieb einer Kettensäge geeignet ist, mit einem Massenausgleich auszustatten, ohne wesentlichen baulichen Zusatzsaufwand zu verursachen.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung mit mindestens einem Zylinder, einer Kurbelwelle (1), auf der ein erstes Antriebsrad (4) vorgesehen ist, mindestens einer Nockenwelle (7), auf der ein zweites Antriebsrad (5) vorgesehen ist, einem Antriebsglied (6), das das erste Antriebsrad (4) und das zweite Antriebsrad (5) umschlingt, sowie mit mindestens einer Massenausgleichswelle (8), die über ein weiteres Antriebsrad (10) mit dem Antriebsglied (6) zwischen der Kurbelwelle (1) und der Nockenwelle (7) in Eingriff steht und auf diese Weise angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsglied (6) als Kette ausgebildet ist und dass die Spannvorrichtung als Spannschiene (11) ausgebildet ist, die an dem der Massenausgleichswelle (8) gegenüberliegenden Abschnitt der Kette vorgesehen ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Antriebsrad (10) von außen in das Antriebsglied (6) eingreift.
3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Massenausgleichswelle (8) quer zu ihrer Achse (8a) verstellbar gelagert ist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannschiene (11) für das Antriebsglied (6) nach außen hin vorspannt.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Massenausgleichswelle (8) näher bei der Kurbelwelle (1) liegt als bei der Nockenwelle (7).
6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Massenausgleichswelle (8) im Kurbelgehäuse angeordnet ist, dass die Achse der Massenausgleichswelle (8) durch den vom Pleuel (2) der Brennkraftmaschine überstrichenen Bereich durchgeht und dass sie unmittelbar neben dem vom Pleuel (2) überstrichenen Bereich liegt.
7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschlingungswinkel des Antriebsgliedes (6) um das erste und das zweite Antriebsrad (4, 5) jeweils größer ist als 180°.
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Massenausgleichswelle (8) mit Kurbelwellendrehzahl gegenläufig zu dieser dreht.
9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Massenausgleichswelle (8) mindestens ein zusätzliches Nebenaggregat, vorzugsweise eine Ölpumpe oder Wasserpumpe, vorgesehen ist.
10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine als Einzylinder-Viertakt-Brennkraft- maschine ausgebildet ist.
11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (8a) der Massenausgleichswelle (8) im Wesentlichen in einer Ebene liegt, die von der Achse (la) der Kurbelwelle (1) und der Achse (7a) der Nockenwelle (7) aufgespannt ist.
12. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass gemeinsam mit der Massenausgleichswelle (8) eine Führungsschiene (19) gelagert ist.
13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Massenausgleichswelle (8) über ein Exzenter (18) gelagert ist.
14. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Massenausgleichswelle (8) gemeinsam mit der Führungsschiene (19) über ein Exzenter (18) gelagert ist.
15. Kettensäge, angetrieben durch eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
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