DE2333038A1

DE2333038A1 - Einrichtung zum ausgleich der massenkraefte von hubkolben-kurbelwellenmaschinen

Info

Publication number: DE2333038A1
Application number: DE19732333038
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr Ing Krueger; Peter Thauer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1973-06-29
Filing date: 1973-06-29
Publication date: 1975-01-16

Description

VOLKSWAGENWERK Aktiengesellschaft

5180 Volfsburg
Unsere Zeichen: K 1517
1702-Pt/We/Ti

Einrichtung zum Ausgleich der Massenkräfte von Hubkorben-Kurbelwellenmaschinen

Die Erfindung "bezieht sich auf eine Einrichtung zum Ausgleich der Massenkräfte von Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen mit einer von einer Nockenanordnung direkt angetriebenen Ausgleichsmasse.

Bekanntlich entstehen beim Umlauf von Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen Massenkräfte und -momente, die besonders durch die hin- und hergehenden Teile, wie Kolben, Pleuelstange und dgl. verursacht sind und die je nach der Art der Maschine und der Zahl und Anordnung der Zylinder in mehr oder weniger großem Maße unausgeglichen sind und damit das Laufverhalten und die Laufruhe der Maschine beeinflussen.

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Bekannt ist es, die Massenkräfte I. und II. Ordnung durch umlaufende Gegengewichte bzw. Gegengewichtspaare auszugleichen.

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So ist eine als Lanchester-Ausgleich bezeichnete Einrichtung zum Ausgleich der Massenkräfte II. Ordnung an Kolbenmaschinen, insbesondere für einen 4-Zylinder-4-Takt-Reihenmotor bekannt, bei der zwei mit Gegengewichten versehene Nebenwellen in zueinander entgegengesetzter Richtung mit doppelter Kurbelwellendrehzahl umlaufen. Dieser Massenausgleich erfordert jedoch einen relativ hohen Bauaufwand und verursacht infolge der erforderlichen hohen Drehzahl der Hilfswellen und deren Antriebe beträchtliche Geräusche. Außerdem ist mit diesem Ausgleich infolge der rotierenden Bewegung der Gegengewichte nur ein Ausgleich der Massenkräfte II. Ordnung möglich, nicht jedoch ein Ausgleich der Massenkräfte höherer Ordnungen.

Um nun die Massenkräfte I., II. und höherer Ordnungen auszugleichen, ist auch schon eine Einrichtung bekannt (US-PS 3»4-68,190), bei der eine Ausgleichsmasse von einer Nockenanordnung direkt angetrieben wird. Bei dieser bekannten Einrichtung führt die Ausgleichsmasse eine zu dem auszugleichenden Zylinder entgegengesetzte, oszillierende Bewegung aus, die von zwei an den Kurbelwangen der Kurbelwelle ausgebildeten Nocken gesteuert wird. Bei Betrachtung dieser Ausgleichsvorrichtung ergibt sich jedoch, daß auch diese noch verhältnismäßig aufwendig ist, da sie zum Ausgleich der Massenkräfte der Arbeit leistenden Kolben einen, ggf. auch mehrere nahezu gleichgroße Gegenkolben benötigt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird daher darin gesehen, eine Ausgleichseinrichtung der eingangs genannten Bauart zu schaffen, die mit einem wesentlich geringeren Aufwand an Bauratun einen nahezu vollständigen Ausgleich sämtlicher Massenkräfte ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei einer derartigen Ausgleichsvorrichtung dadurch, daß die Ausgleichsmasse bogenförmig geführt ist. Dabei kann die Ausgleichsmasse um eine Drehachse schwenkbar gehalten oder an mehreren Drehpunkten angelenkt sein. Beide

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Lösungen zeichnen sich durch geringen Bauaufwand aus und ermöglichen durch entsprechende Wahl der Drehzahl und der Nockenform einen Ausgleich der Massenkräfte beliebiger Ordnung. Dies wird dadurch erreicht, daß die Nockenanordnung mit der n-fachen Drehzahl der Kurbelwelle umläuft, wobei η eine ganze Zahl oder ein ganzzahliger Bruch ist (n = ... r?, —, 1, 2, 3» ···)» und daß die Nockenanordnung wenigstens eine Nockenscheibe mit einer Zahl m von gleichmäßig über den Umfang verteilten Erhebungen zum Ausgleich der Massenkräfte (m . n)-ter Ordnung aufweist.

Damit die Ausgleichsmasse die von der Nockenanordnung vorgegebene Bewegung ausführt, kann ähnlich wie bei einem Ventiltrieb eine die Ausgleichsmasse mit ihrer Gleitfläche auf der Nockenscheibe haltende Rückstellfeder vorgesehen sein. Mit Vorzug ist jedoch eine Nockenzwangssteuerung für die Ausgleichsmasse vorgesehen, wobei zweckmäßigerweise die Zwangssteuerung durch zwei Nockenscheiben erfolgt. Dabei können die beiden Nockenscheiben mit der gleichen Kontur ausge-

360°

bildet und um einen Winkel ·% gegeneinander verdreht auf

c. . m

einer Antriebswelle angeordnet sein, wobei die Ausgleichsmasse dann an einander diametral gegenüberliegenden Stellen der beiden Nockenscheiben angreift.

Wie schon bei der Ausgleichseinrichtung gemäß der eingangs genannten US-Patentschrift empfiehlt es sich auch bei der erfindungsgemäßen Ausführung, die Kurbelwangen der Kurbelwelle als Nockenscheiben auszubilden, wozu bei 4-Zylinder-Reihenmotoren vorzugsweise die beiden dem mittleren Kurbelwell enhauptlager benachbarten Kurbelwangen heranzuziehen sind.

Eine von der Erfindung besonders bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß die Ausgleichsmasse aus einer um eine parallel zur Kurbelwellenachse angeordnete Drehachse schwenk-

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baren Schwinge besteht, deren Schwerpunkt so angeordnet ist, daß die Beziehung i = ρ · (a - ρ) erfüllt ist, wobei i der Trägheitsradius der Schwinge, ρ der Abstand des Schwerpunktes von der Drehachse und a der Abstand der Drehachse von der Wirkungsebene der auszugleichenden Massenkräfte ist. Dabei soll die Schwinge zwei Arme aufweisen, die die Hbckenscheiben gabelförmig umgreifen und mit jeweils einer Gleitfläche an zwei zueinander diametral gegenüberliegenden Stelle'n der beiden Hockenscheiben angreifen.

Weitere Torteile und die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung enthalten, die die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellungsweise in

Figur 1 das Prinzip einer von einer Hockenanordnung entgegen einer Rückstellfeder angetriebenen,, schwenkbar gehaltenen Ausgleichsmasse,

Figur 2 eine nockenbetätigte Ausgleichsmasse, die mittels einer Parallelführung gehalten ist,

Figur 5 eine Ausgleichseinrichtung, bei der zwei spiegelbildlich angeordnete, gleichsinnig betätigte Ausgleichsmassen vorgesehen sind,

Figur 4 einen Längsschnitt durch einen 4-Zylinder-Reihenmotor mit einer durch Nockenzwangssteuerung angetriebenen erfindungsgemäßen Ausgleichsvorrichtung,

Figur 4a· einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 4»

Figur 5 eine Draufsicht auf die mit zwei gabelförmigen Armen ausgebildete Ausgleichsschwinge und

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Figur 6 eine seitliche Ansieht der Ausgleichsschwinge mit den diese antreibenden Nockenscheiben.

In der Figur 1 ist mit 1 eine um eine Schwenkachse 2 schwenkbare Ausgleichsmasse bezeichnet, die mittels einer an einem feststehenden Gehäuse 5 abgestützten Feder 4 i*¹ Gleitkontakt mit einer Nockenscheibe 3 gehalten wird. Die Nockenscheibe 3 weist in dem gezeigten Beispiel zwei um 180 gegeneinander versetzte Erhebungen 6 auf, so daß die Ausgleichsmasse bei einer Umdrehung der Nockenscheibe 3 zweimal zwischen der mit ausgezogenen Linien gezeichneten höchsten und der mit unterbrochenen Linien gezeigten niedrigsten Stellung hin und her bewegt wird, wobei der Schwerpunkt der Ausgleichsmasse einen Kreisbogen beschreibt. Die infolge der ungleichförmigen Bewegung sich ergebende Reaktionskraft soll nun zum Ausgleich der freien Massenkräfte in einer Kurbelwellenmaschine herangezogen werden, wobei die Ausgleichsmasse so anzuordnen ist, daß die durch sie erzeugten Eeaktionskräfte die Wirkungsebene der resultierenden freien Massenkraft der Kurbelwellenmaschine tangieren.

Je nach dem Verhältnis der Drehzahl der Nockenscheibe zu der .Kurbelwelle und der Anzahl der an der Nockenscheibe angeordneten Erhebungen können nun Massenkräfte beliebiger Ordnung weitgehend ausgeglichen werden. Unter der Voraussetzung, daß die in der Figur 1 gezeigte Nockenscheibe J> mit der gleichen Drehzahl wie die Kurbelwelle umläuft, beispielsweise weil eine Kurbelwange der Kurbelwelle selbst als Nockenscheibe ausgebildet ist, erzeugt die Ausgleichsmasse 1 bei^entsprechender Größe eine Reaktionskraft, die die freien Massenkräfte der Ordnung auszugleichen in der Lage ist. Durch entsprechende Ausbildung der Kontur der Nockenscheibe··^ kann dieserjmit der doppelten Frequenz der Kurbelwelle verlaufenden, sinusförmigen Ausgleichsmassenbewegung zusätzlich höherfrequente harmonische Bewegungen überlagert werden, die zum Ausgleich der Massenkräfte höherer Ordnungen erforderlich sind.

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Ausgehend von der Forderung, daß die Lagerreaktion möglichst klein sein soll, das heißt, daß die Summe der Momente um die Drehachse der Ausgleichsmasse und die Summe der Kräfte in Richtung der Resultierenden der freien Massenkräfte gegen 0 gehen soll, ergibt sich als konstruktive Regel für die Ausbildung der Ausgleichsmasse, daß der Trägheitsradius das geometrische Mittel aus dem Abstand des Schwerpunkts der Ausgleichsmasse von der Drehachse und dem Abstand des Schwerpunkts von der Wirkungsebene der Resultierenden der freien Massenkräfte ist.

Die Ausführung nach der Figur 2 unterscheidet sich von derjenigen der Figur 1 dadurch, daß die Ausgleichsmasse 1 nicht um eine Schwenkachse schwenkbar, sondern mittels zweier paralleler.Führungsstangen 7> die einerseits an dem festen Gehäuse 5 und andererseits an der Ausgleichsmasse 1 angelenkt sind, parallel geführt ist. Auch in diesem Fall legt der Schwepunkt der Ausgleichsmasse 1 einen kreisbogenförmigen Weg zurück.

In der Figur 3 schließlich ist eine Ausgleichseinrichtung gezeigt, bei der die Ausgleichsmasse in zwei spiegelbildlich zur Achse, der Nockenanordnung angeordnete Teilmassen 1a und 1b aufgeteilt ist. Die beiden Einzelmassen sind jeweils um ihre Drehachse 2a bzw. 2b schwenkbar gehalten und werden von jeweils einer nockenscheibe 3a bzw. 3b entgegen einer Rückstellfeder 4a bzw. 4b gleichsinnig angetrieben, das heißt, beide Massen führen synchron Auf- bzw. Abwärtsbewegungen auf kreisbogenförmigen Wegen aus.

In den Figuren 4 und 4a ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Ausgleichseinrichtung bei einem 4-'Zylinder-Reihenmotor angedeutet. Dabei zeigt die Zeichnung einen Längsschnitt eines derartigen Motors mit der Zündfolge 13 4 2 bzw. 12 4 3. Bei

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diesem Motor sind die dem mittleren Kurbelwellenhauptlager 8 benachbarten Kurbelwangen 9 und 10 als Nockenscheiben ausgebildet. Diese Hockenscheiben treiben eine Ausgleichsschwinge 11 an, die um eine parallel zur Kurbelwellenachse angeordnete Drehachse schwenkbar ist und mit zwei starr miteinander verbundenen, gabelförmig ausgebildeten Armen um die Nockenscheiben 9 und 10 greift.

Die Ausgleichsschwinge 11 ist in den Figuren 5 und 6 in vergrößertem Maßstab näher dargestellt. Dabei stellen 12 und 13 die beiden gabelförmig ausgebildeten Arme dar, während mit ein die beiden Arme starr verbindender Steg bezeichnet ist. Die beiden Arme 12 und 13 sind bei 16 auf einem an dem feststehenden Gehäuse 5 starr befestigten Lagerbolzen 15 schwenkbar gelagert.

Wie aus der in der Figur 6 gezeigten Seitenansicht der Ausgleichsschwinge 11 hervorgeht, weist der vordere, mit ausgezogenen Linien gezeichnete Schwingenarm 12 an seinem unteren, gabelförmigen Ende eine Gleitfläche 17 auf, mit der er auf der als Nockenscheibe ausgebildeten Kurbelwange 9 gleitet. Demgegenüber hat der hintere, mit strichpunktierten Linien dargestellte Schwingenarm 13 eine Gleitfläche 18 an seinem oberen Gabelende. Diese Gleitfläche gleitet auf der zweiten, ebenfalls als nockenscheibe ausgebildeten Kurbelwange 10, die der Übersichtlichkeit halber ebenfalls strichpunktiert gezeichnet ist.

Bei der Drehung der Kurbelwelle ergibt sich nun durch die beiden Nockenscheiben 9 und 10, die mit gleicher Kontur ausgebildet, aber um 90° versetzt angeordnet sind, eine zwangsgesteuerte Auf- und Abbewegung der Ausgleichsschwinge 11. Dabei beschleunigt bei einer Umdrehung der Kurbelwelle in'Richtung des Pfeiles 20 aus der in der Figur 6 gezeigten Position heraus zunächst die Nockenscheibe 9 die Ausgleichsschwinge 11 nach unten. Von einem bestimm-

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ten Drehwinkel an "bremst dann die Nockenscheibe 10 durch Zusammenwirkung mit der Gleitfläche 18 an dem anderen Schwingenarm 15 die Abwärtsbewegung und beschleunigt die Ausgleichsschwinge anschließend in die entgegengesetzte Richtung, nämlich nach oben. Bei diesem Vorgang stehen ständig die Gleitflächen und 18 in Gleitkontakt mit der jeweils zugeordneten nockenscheibe 9 bzw. 10, so daß die Ausgleichsschwinge einen allein durch die einander zugeordneten Konturen der Nockenseheiben bestimmten Bewegungsablauf ausführt.

Je nach der Zahl der an den Nockenscheiben vorgesehenen Nockenerhebungen ergibt sich nun die Möglichkeit, verschiedene Ordnungen der freien Massenkräfte eines mit einer derartigen Ausgleichseinrichtung versehenen Motors auszugleichen. So lassen sich mit der in der Figur 6 gezeigten Ausbildung der Nockenscheiben, die jeweils über ihrem Umfang zwei von dem Nockengrundkreis 19 sich abhebende Erhebungen aufweisen, bei dem in der Figur 4 gezeigten 4-Zylinder-Reihenmotor die freien Massenkräfte II. Ordnung ausgleichen. Sollten dagegen auch die Massenkräfte IV. Ordnung ausgeglichen werden, so müßten die Nockenscheiben zusätzlich noch vier über den Umfang verteilte, also jeweils um 90 versetzte nockenförmige Erhebungen aufweisen, • deren .Höhe sich nach der Größe der auszugleichenden Kräfte bestimmt . /

Damit nun an den Lagerstellen der Ausgleichsschwinge nur sehr kleine Reaktionskräfte auftreten, muß die Ausgleichsschwinge und insbesondere ihr Schwerpunkt so angeordnet und ausgebildet werden, daß die als "Glockenformel" bekannte Beziehung

erfüllt wird, wobei i der Trägheitsradius der Ausgleichsschwinge, ρ der Abstand des Schwerpunktes von der Drehachse und a der Abstand der Mittenebene der Zylinder von der Dreh-

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achse ist. Wenn also der Trägheitsradius i der Ausgleichsschwinge 11 dem geometrischen Mittel aus dem Schwerpunktsabstand von der Drehachse ρ und dem Abstand des Schwerpunktes von der Zylindermittenebene (a - p) entspricht, ist sichergestellt, daß die Reaktionskräfte an den Lagerstellen der Ausgleichsschwinge sehr klein sind.

Die von der Erfindung vorgeschlagene Ausgleichseinrichtung, zeichnet sich nun gegenüber den bisher bekannten Ausführungen von Ausgleichsvorrichtungen durch besondere Einfachheit, geringe Kosten und geringfügigen Bauaufwand aus. Dennoch ist ein weitgehender Ausgleich der freien Massenkräfte beliebiger Ordnung allein durch entsprechende Ausbildung der Kontur der Nockenscheiben möglich. Besonders erwähnenswert ist auch, daß die erfindungsgemäße Ausgleichseinrichtung verhältnismäßig leicht in schon vorhandenen, serienmäßigen Motoren, ohne an diesen größere Änderungen vornehmen zu müssen, eingebaut werden kann. Demgegenüber mußten die Motoren für den Einsatz der bisher bekannten Einrichtungen dieser Art in ihrer Konstruktion von vornherein darauf eingerichtet und zugeschnitten sein.

Neben den in der Zeichnung bereits gezeigten, beispielhaften Ausführungsformen wäre es auch möglich und vorteilhaft, die Ausgleichsmasse in zwei nebeneinanderliegende, gleichsinnig betätigte Teilmassen aufzuteilen^ deren Drehachsen, um einen Ausgleich der infolge der bogenförmigen Massenbewegung entstehenden Querkräfte zu erreichen, spiegelbildlich zur Nockenaehse angeordnet sind.

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Claims

Ansprüche

Einrichtung zum Ausgleich der freien Massenkräfte von Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen mit einer von einer Nockenanordnung direkt angetriebenen Ausgleichsmasse, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsmasse (1) bogenförmig geführt ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsmasse (i) um eine Drehachse (2) schwenkbar gehalten ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsmasse (1) an mehreren Drehpunkten (2¹) angelenkt ist.
4· Einrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenanordnung (3) mit der η-fachen Drehzahl der Kurbelwelle umläuft, wobei η eine ganze Zahl oder ein ganzzahliger Bruch is ■tr'(η = .. .-τ, —, 1, 2, 3» ···)> und daß die Nockenanordnung wenigsten eine Nockenscheibe mit einer Zahl m von gleichmäßig über den Umfang verteilten Erhebungen (6) zum Ausgleich der Massenkräfte (m . n)-ter Ordnung aufweist.
5· Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß eine die Ausgleichsiaasse (1) mit ihrer Gleitfläche auf der Nockenscheibe (3) haltende Rückstellfeder (4) vorgesehen ist.

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6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß eine Nockenzwangssteuerung für die Ausgleichsmasse (i) vorgesehen ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Zwangssteuerung durch zwei Nockenscheiben erfolgt.
8. Einrichtung nach Anspruch ¹J, dadurch gekennzeichnet,

daß die beiden Nockenscheiben mit der gleichen Kontur

36o° ausgebildet und um einen Winkel «*—-— gegeneinander verdreht auf einer Antriebswelle angeordnet sind und daß die Ausgleichsmasse an im wesentlichen diametral einander gegenüberliegenden Stellen der Nockenscheiben angreift.
9. Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwangen (9, 10) der Kurbelwelle als Nockenscheiben ausgebildet sind.
10. Einrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß bei 4-Zylinder-Reihenmotoren die beiden dem mittleren Kurbelwellenhauptlager (8) benachbarten Kurbelwangen (9, 10) als Hockenscheiben ausgebildet sind.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsmasse aus einer um eine parallel zur Kurbelwellenachse angeordnete Drehachse schwenkbaren Schwinge (11) besteht, deren Schwerpunkt so angeordnet ist, daß die Beziehung i=p . (a - p) erfüllt ist, wobei i der Trägheitsradius der Schwinge, ρ der Abstand des Schwerpunktes von der Drehachse und a der Abstand der Drehachse von der Wirkungsebene der auszugleichenden Massenkräfte ist.

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12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwinge (11) zwei Arme (12, 1J) aufweist, die die Nockenscheiben (9> 10) gabelförmig umgreifen und mit jeweils einer Gleitfläche (17» 18) an zwei im wesentlichen diametral gegenüberliegenden Stellen der Nockenscheiben angreifen.

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