DE10214384A1

DE10214384A1 - Verbrennungsmotor eines handgeführten Arbeitsgerätes

Info

Publication number: DE10214384A1
Application number: DE10214384A
Authority: DE
Inventors: Johannes Menzel; Guenter Wolf
Original assignee: Andreas Stihl AG and Co KG
Current assignee: Andreas Stihl AG and Co KG
Priority date: 2002-03-30
Filing date: 2002-03-30
Publication date: 2003-10-16
Also published as: US20030183187A1; FR2837890A1; JP2003293701A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor (1) eines handgeführten Arbeitsgerätes mit einem Zylinder (2), einem im Zylinder (2) längsverschieblich oszillierend geführten Kolben (3) mit einer drehbaren Kurbelwelle (4) und einem den Kolben (3) mit der Kurbelwelle (4) verbindenden Pleuel (5). Über eine Kupplung (6) ist ein anzutreibendes Werkzeug (7) an den Verbrennungsmotor (1) anbindbar. Zur Verbesserung des Motorlaufes bei gleichzeitig geringem Gesamtgewicht ist in Kraftflußrichtung vom Verbrennungsmotor (1) zum Werkzeug (7) motorseitig der Kupplung (6) ein Drehschwingungstilger (8) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor eines handgeführten Arbeitsgerätes mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Drehbewegung einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors weist prinzipbedingt durch die diskontinuierliche Verbrennung und der daraus resultierenden ungleichförmigen Bewegung von Kolben, Pleuel und anderen Teilen eine ungleichförmige Drehbewegung auf. Die bewegten Teile bilden zusammen mit einem angetriebenen Werkzeug ein schwingfähiges System, welches zur Resonanz neigt. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt bei klein und leicht ausgeführten Verbrennungsmotoren eines Arbeitsgerätes mit nur einem Zylinder. Bei nur einem Zylinder ist die Ungleichförmigkeit der Drehbewegung besonders ausgeprägt. Da ein handgeführtes Arbeitsgerät wie eine Kettensäge, ein Freischneider oder dgl. für eine leichte Bedienbarkeit möglichst leicht ausgeführt ist, sind die auftretenden Massenkräfte gleichförmig bewegter Teile relativ gering im Vergleich zum ungleichförmigen Antriebsmoment. Die Massenkräfte der gleichförmig bewegten Teile können daher nur wenig zur Dämpfung der Drehmomentschwankungen beitragen.
Es sind Drehschwingungsdämpfer in einer Kupplung zwischen einem Antriebsmotor und einem angetriebenen Werkzeug bekannt, um insbesondere während des Einkuppelvorgangs angeregte Schwingungen zu dämpfen. Zur Glättung der Drehmomentspitzen des drehenden Systems aus Verbrennungsmotor und angetriebenem Werkzeug ist die Anordnung von Schwungrädern bekannt. Diese genannten Maßnahmen führen zu einer unerwünschten Steigerung des Gewichts des Arbeitsgerätes, wodurch die Handhabbarkeit des Arbeitsgerätes beeinträchtigt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor eines handgeführten Arbeitsgerätes mit verbesserten Betriebeigenschaften bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dazu wird vorgeschlagen, in die Kraftflußrichtung vom Verbrennungsmotor zum Werkzeug motorseitig der Kupplung einen Drehschwingungstilger am Verbrennungsmotor vorzusehen. Die Besonderheit eines Drehschwingungstilgers liegt darin, daß zusätzlich zum verbessernden Drehschwingungssystem ein weiteres Drehschwingsystem geschaffen wird, das bei geeigneter Abstimmung gegenläufig arbeitet. Die entstehenden Massenkräfte heben sich zumindest annäherungsweise auf, in dessen Folge die resultierende Drehschwingamplitude zumindest näherungsweise getilgt ist. Im Vergleich zu einem Dämpfungssystem wird dabei keine Energie vernichtet, wodurch weder Wärme- noch besondere Verschleißprobleme auftauchen. Im Vergleich zu einem Masseschwungrad kann ein Drehschwingungstilger selbst leicht ausgebildet sein.
Schwingungstilger an sich sind bekannt und werden insbesondere bei Kraftfahrzeugmotoren im Antriebsstrang nahe der Kupplung eingesetzt. Derartige Anordnungen sind jedoch für ein handgeführtes Arbeitsgerät ungeeignet, da sie als zusätzliches Bauteil das Systemgewicht steigern.
Durch eine Anordnung entsprechend der Erfindung wird der Drehschwingungstilger motorseitig der Kupplung angeordnet. An dieser Stelle ist die Tilgungswirkung auch bei ausgekuppeltem Arbeitswerkzeug gegeben. Derartige Kupplungen sind vorteilhaft als Fliehkraftkupplungen ausgebildet. Im unteren Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors steht das Werkzeug still und steht nicht als Dämpfungsmasse für den Verbrennungsmotor zur Verfügung. Gleichzeitig ist jedoch insbesondere bei einem einzylindrigen Motor mit entsprechend geringer Drehzahl die Drehschwingungserregung besonderes ausgeprägt. Diese kann in erfindungsgemäßer Weise mit einem vergleichsweise leichten Drehschwingungstilger zumindest teilweise kompensiert werden. Auch im eingekuppelten Zustand trägt der Drehschwingungstilger zur Reduktion des Drehschwingungsniveaus bei.
In vorteilhafter Weiterbildung ist der Drehschwingungstilger im Bereich eines Massenausgleichs zur Kompensation von Unwuchten vorgesehen. Beispielsweise ist ein derartiger Massenausgleich an einer Kurbelwange der Kurbelwelle zur Kompensation der Unwuchten von Kurbelzapfen und Pleuel vorgesehen. Eine andere Unwucht entsteht durch die Anordnung eines Steuermagneten für eine Zündung insbesondere an einem Lüfterrad eines Kühlluftgebläses. Durch Anordnung des Drehschwingungstilgers des entsprechenden Massenausgleichs kann die Masse des Drehschwingungstilgers in Doppelfunktion auch den Massenausgleich selbst bilden. Der systembedingt vorhandene Massenausgleich kann um das entsprechende Maß in seiner Masse verringert werden. Der Massenzuwachs des Gesamtsystems durch die Anordnung des Drehschwingungstilgers ist gering. Dadurch ist insgesamt die Möglichkeit geschaffen, den Verbrennungsmotor leicht und zugleich mit einem geringen Drehschwingungsniveau auszubilden.
Der Drehschwingungstilger ist vorteilhaft als drehzahladaptiver Tilger mit einer Tilgungsmasse und einer massenkraftgesteuerten Zentrierung der Tilgungsmasse ausgebildet. Durch geeignete Abstimmung der Tilgungsmasse und der massenkraftgesteuerten Zentrierung kann eine selbsttätige Adaption des Tilgers an die Drehzahl erreicht werden. Die Tilgungswirkung erstreckt sich dabei über einen weiten Bereich von Erregerfrequenzen. Damit kann eine hohe Wirksamkeit sowohl im Bereich des ausgekuppelten Leerlaufs als auch im Bereich hoher Drehzahlen mit eingerückter Kupplung und Werkzeug erzielt werden.
Die Tilgungsmasse ist vorteilhaft als Pendel ausgebildet, die um einen Drehpunkt pendelnd gelagert ist. Das Pendel bildet dabei einen Drehschwinger; bei exzentrischer Anordnung des Drehpunktes bezüglich der Drehachse der Kurbelwelle folgt durch die auftretenden Fliehkräfte eine Zentrierung durch die Massenkräfte. Die Ausbildung als Pendel mit einer Lagerung um einen Drehpunkt kann konstruktiv einfach gestaltet sein, wobei die Reibkräfte an der entsprechenden Drehachse vergleichsweise gering sind. Dadurch ist eine präzise Ausrichtung der Tilgungsmasse gewährleistet. In Weiterbildung ist die Tilgungsmasse an einer gekrümmten Laufbahn geführt, wobei die Tilgungsmasse insbesondere in Form einer Walze ausgebildet ist und auf der Laufbahn abrollen kann. Bei dieser Variante kann der Krümmungsradius der Laufbahn einen beliebigen angepaßten Verlauf aufweisen, wodurch die Schwingcharakteristik der Tilgungsmasse linear oder nicht linear eingestellt werden kann. Bei einer abrollenden Ausführung sind die Reibkräfte im Vergleich zu einer Gleitlagerung gering. Die Schwingcharakteristik der Tilgungsmasse kann so eingestellt werden, daß im Bereich der Betriebsamplituden die Tilgungsmasse frei ausschwingen kann. Für unerwartet hohe Amplituden in außergewöhnlichen Betriebszuständen kann die Anordnung eines Anschlagdämpfers für die Tilgungsmasse zweckmäßig sein.
Durch die Anordnung von jeweils mindestens einem Drehschwingungstilger auf der Kurbelwelle beidseitig des Pleuels kann darüber hinaus das Auftreten dynamischer Unwuchten vermieden bzw. kompensiert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Perspektivdarstellung ein handgeführtes Arbeitsgerät mit einem Verbrennungsmotor mit einer Kettensäge;
Fig. 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Kurbelwelle mit einem pendelnd aufgehängten Tilger;
Fig. 3 eine Variante der Anordnung nach Fig. 2 mit einem in der Kurbelwange eingeschlossenen Pendeltilger;
Fig. 4 in einer Explosionsdarstellung einen Kurbeltrieb mit einer walzenförmigen, entlang einer gekrümmten Laufbahn in der Kurbelwange der Kurbelwelle geführten Tilgungsmasse;
Fig. 5 eine Variante der Anordnung nach Fig. 4 mit insgesamt zwei Tilgungsmassen;
Fig. 6 eine Explosionsdarstellung einer Kurbelwelle mit einer kombiniert pendelnd und eingekrümmten Laufbahn einer gelagerten Tilgungsmasse;
Fig. 7 eine weitere Variante eines Drehschwingungstilgers mit einem walzenförmigen Tilgungskörper an einem Lüfterrad des Verbrennungsmotors.
Fig. 1 zeigt in schematischer Perspektivdarstellung ein handgeführtes Arbeitsgerät am Beispiel einer Kettensäge 16 mit einem als Zweitaktmotor ausgebildeten Verbrennungsmotor 1 zum Antrieb einer Sägekette 29. Es können auch beliebige andere handgeführte Arbeitsgeräte wie Freischneider oder dgl. vorgesehen sein. Der Verbrennungsmotor 1 kann sowohl ein Zweitakt- als auch Viertaktmotor sein und weist im gezeigten Ausführungsbeispiel einen einzelnen Zylinder 2 auf, in dem ein Kolben 3 längsverschieblich oszillierend geführt ist. Der Kolben 3 ist über ein Pleuel 5 mit einer angedeuteten Kurbelwelle 4 verbunden zur Erzeugung einer Drehbewegung um eine Kurbelwellenachse 46. Teil einer Zündung 13 ist eine im Zylinder 2 angeordnete Zündkerze 30. Auf einer Seite der Kurbelwelle 4 ist eine Kupplung 6 festgelegt, über die ab einer vorgegebenen Drehzahl der Kurbelwelle 4 das Werkzeug 7 in Form der Sägekette 29 angetrieben wird. Auf der Kupplung 6 gegenüberliegenden Seite des Verbrennungsmotors 1 ist ein angedeutetes Lüfterrad 14 zur Kühlung des Verbrennungsmotors insbesondere im Bereich des Zylinders 2 angeordnet und über die Kurbelwelle 4 angetrieben.
Der Verbrennungsmotor 1 mit seiner Kupplung 6 und seinem Lüfterrad 14 ist in einem Gerätegehäuse 22 angeordnet, wobei die Kupplung 6 über einen Kupplungsdeckel 23 abgedeckt ist. Zum Führen der Kettensäge 16 weist das Gerätegehäuse 22 einen vorderen und einen hinteren Handgriff 24, 25 auf.
Die Sägekette 29 ist entlang der Kanten einer Führungsschiene 26 umlaufend geführt, wobei zur Umlenkung der Sägekette 29 an dem der Kupplung 6 abgewandten Ende der Führungsschiene 26 ein um eine Achse 27 drehbares Führungsrad 28 vorgesehen ist. Im Bereich des motornahen Endes der Führungsschiene 26 umschlingt die Sägekette 29 die Kupplung 6.
Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Explosionsdarstellung Einzelheiten der Kurbelwelle 4 des Verbrennungsmotors 1 nach Fig. 1. Die Kurbelwelle 4 ist zweigeteilt und weist beidseitig des Pleuels 5 je eine Kurbelwange 11 auf. Im Bereich der Kurbelwangen 11 sind die beiden Teile der Kurbelwelle 4 mittels eines Kurbelzapfens 33 verbunden, wobei das Pleuel 5 mit einem unteren Lager 34 auf dem Kurbelzapfen 33 gelagert ist. Mit einem Ende 31 der Kurbelwelle 4 ist die Kupplung 6 und mit dem gegenüberliegenden Ende 32 das Lüfterrad 14 (Fig. 1) drehfest verbunden.
Die Kurbelwangen 11 weisen jeweils einen Massenausgleich 9 für die Massen des Kurbelzapfens 33 und des Pleuels 5 auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Massenausgleich 9 in Form eines in der Kurbelwange integrierten Drehschwingungstilgers 8mit Tilgungsmassen 18 ausgebildet. Jeweils zwei Tilgungsmassen 18 sind beidseitig eines Trägerbleches 47 befestigt und mittels eines Zapfens 36 pendelnd an der Kurbelwange 11 aufgehängt. Der durch den Zapfen 36 gebildete Drehpunkt 19 weist bezüglich der Kurbelwellenachse 46 einen radialen Abstand h auf. Die bei einer Drehbewegung der Kurbelwelle 4 wirkenden Fliehkräfte führen dadurch zu einer massenkraftgesteuerten Zentrierung der pendelnd aufgehängten Tilgungsmassen 18. In dieser Ausbildung wirkt der Drehschwingungstilger 8 als drehzahladaptiver Tilger 17. Es kann auch zweckmäßig sein, zur Zentrierung der Tilgungsmassen 18 elastische Federelemente oder dgl. vorzusehen.
Fig. 3 zeigt eine Variante der Anordnung nach Fig. 2 mit einem drehzahladaptiven Tilger 17, bei dem die Kurbelwangen 11 der Kurbelwelle 4 hohl ausgeführt sind. Ein etwa kreissegmentförmiger Trägerkörper 38 weist Bohrungen zur Aufnahme von Massekörpern 39 auf, wodurch gemeinsam eine Tilgungsmasse 18 gebildet ist. Die Tilgungsmasse 18 ist mit dem Zapfen 36 in einer Lageröffnung 41 an der Kurbelwange 11 pendelnd gelagert. Der Hohlraum zur Aufnahme der Tilgungsmasse 18 in der Kurbelwange 11 ist über ein Deckblech abgedeckt, wobei im Bereich des Deckbleches 40 und der Lageröffnung 41 über gezielte Undichtigkeiten Motoröl zur Schmierung des Tilgers 17 zugeführt werden kann. In der Kurbelwange 11 sind innenseitig Aufnahmen 37 für Anschlagdämpfer 21 vorgesehen, an denen der Trägerkörper 38 bei hohen Pendelamplituden gedämpft anschlagen kann. In den übrigen Merkmalen und Bezugszeichen stimmt das gezeigte Ausführungsbeispiel mit der Anordnung nach Fig. 2 überein.
Fig. 4 zeigt einen Variante eines drehzahladaptiven Tilgers 17 in den Kurbelwangen 11 einer Kurbelwelle 4, wobei die Kurbelwangen 11 bogenförmige Ausfräsungen 42 aufweisen. Auf der radial äußeren Begrenzung der Ausfräsung 42 ist eine bogenförmige Laufbahn 20 für eine walzenförmige Tilgungsmasse 18 vorgesehen, an der die walzenförmige Tilgungsmasse 18 abrollen kann. Zur Bildung einer massenkraftgesteuerten Zentrierung der Tilgungsmasse 18 weist die Laufbahn 20 einen Krümmungsradius r auf, der kleiner als ihr radialer Abstand R zur Kurbelwellenachse 46 ist. Der Krümmungsradius r der Laufbahn 20 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel konstant, kann jedoch zur Bildung einer beliebigen gewünschten Auslenkungscharakteristik der Tilgungsmasse 18 einen beliebigen geeigneten, winkelabhängigen Verlauf aufweisen. Die Tilgungsmasse 18 ist lose in die Ausfräsung 42 eingelegt und beidseitig durch Deckbleche 40 gegen Herausfallen gesichert.
Bei der in Fig. 5 gezeigten Variante der Anordnung nach Fig. 4 weist jede Kurbelwange 11 zwei Ausfräsungen 42 für jeweils eine Tilgungsmasse 18 auf. In den übrigen Merkmalen und Bezugszeichen stimmt die gezeigte Anordnung mit derjenigen nach Fig. 4 überein.
Fig. 6 zeigt eine weitere Variante einer Kurbelwellenanordnung mit einem drehzahladaptiven Tilger 17, bei dem die Tilgungsmasse 18 in Form einer Halbkreisscheibe mit zwei ebenfalls etwa halbkreisförmigen Aussparungen 43 gebildet ist. Die Kurbelwange 11 ist zur Aufnahme der Tilgungsmasse 18 gegabelt ausgeführt und weist ebenfalls etwa halbkreisscheibenförmige Aussparungen 44 auf. Die Aussparungen 43 und 44 bilden jeweils gekrümmte Laufbahnen 20, die gegeneinander über zwischenliegende, nietförmige Wälzkörper 45 beweglich sind. Dadurch ist eine Kombination einer pendelnden Bewegung der Tilgungsmasse 18 entsprechend der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 2 und 3 mit einer abrollenden Bewegung entsprechend der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 4 und 5 gegeben.
In den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 2 bis 6 ist jeweils je ein Drehschwingungstilger 8 in Form der gezeigten drehzahladaptiven Tilger 17 beidseitig des Pleuels 5 angeordnet. Dabei bilden die Tilgungsmassen 18 gleichzeitig auch den Massenausgleich 9 für Unwuchten, die beispielsweise aus den Massenkräften des Kurbelzapfens 33 und des Pleuels 5 resultieren. Durch diese Doppelfunktion ist mit den Tilgungsmassen 18 dem gesamten Verbrennungsmotor 1 keine zusätzliche Masse hinzugefügt.
Fig. 7 zeigt noch ein Ausführungsbeispiel eines drehzahladaptiven Tilgers 17, der im Lüfterrad 14 (Fig. 1) angeordnet ist. Umfangseitig des Lüfterrades 14 ist ein Steuermagnet 12 zur Steuerung des Zündzeitpunktes der Zündung 1 bzw. der Zündkerze 30 (Fig. 1) angeordnet. Bezüglich der Kurbelwellenachse 46 gegenüberliegend ist ein weiterer Massenausgleich 10 für den Steuermagneten 12 vorgesehen. Innerhalb des Massenausgleichs 10 ist ein Aufnahmekörper 48 angeordnet, welcher eine Ausfräsung 42 zur Aufnahme einer walzenförmigen Tilgungsmasse 18 entsprechend den Ausführungsbeispielen nach Fig. 4 aufweist. Zur Sicherung der Tilgungsmasse 18 ist ein Deckblech 40 vorgesehen.
Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen liegen die Drehschwingungstilger 8 im Bereich der Kurbelwelle 4 bzw. des Lüfterrades 14 und damit nach Fig. 1 in bezug auf die Kraftflußrichtung motorseits der Kupplung 6. Darüber hinaus kann die Anordnung eines Drehschwingungstilgers auch an anderen geeigneten Stellen des Verbrennungsmotors 1, insbesondere am motorseitig festliegenden Teil der Kupplung 6 zweckmäßig sein.

Claims

1. Verbrennungsmotor in einem handgeführten Arbeitsgerät mit einem Zylinder (2), einem im Zylinder (2) längsverschieblich auf und ab gehenden Kolben (3), mit einer drehbaren Kurbelwelle (4) und einem den Kolben (3) mit der Kurbelwelle (4) verbindenden Pleuel (5) sowie mit einer Kupplung (6) zur Verbindung der Kurbelwelle (4) mit einem anzutreibenden Werkzeug (7), dadurch gekennzeichnet, daß in Kraftflußrichtung vom Verbrennungsmotor (1) zum Werkzeug (7) motorseitig der Kupplung (6) ein Drehschwingungstilger (8) vorgesehen ist.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Massenausgleich (9, 10) zur Kompensation von Unwuchten vorgesehen und der Drehschwingungstilger (8) im Bereich des Massenausgleichs (9, 10) angeordnet ist.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (4) eine Kurbelwange (11) mit dem Massenausgleich (9) aufweist, wobei der Drehschwingungstilger (8) im Bereich der Kurbelwange (11) angeordnet ist, vorzugsweise in die Kurbelwange (11) integriert ist.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Kurbelwelle (4) ein Steuermagnet (12) für eine Zündung (13) des Verbrennungsmotors (1) und ein weiterer Massenausgleich (10) für den Steuermagnet (11) verbunden ist, wobei der Drehschwingungstilger (8) im Bereich des weiteren Massenausgleichs (10) vorgesehen ist.

5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschwingungstilger (8) an einem Lüfterrad (14) eines Kühlluftgebläses (15) für den Verbrennungsmotor (1) angeordnet ist, vorzugsweise in das Lüfterrad (14) integriert ist.

6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschwingungstilger (8) ein drehzahladaptiver Tilger (17) mit einer Tilgungsmasse (18) und einer massenkraftgesteuerten Zentrierung der Tilgungsmasse (18) ist.

7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Tilgungsmasse (18) um einen Drehpunkt (19) pendelnd gelagert ist.

8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tilgungsmasse (18) an einer gekrümmten Laufbahn (20) geführt ist.

9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Tilgungsmasse (18) auf der Laufbahn (20) abrollend geführt und insbesondere walzenförmig ausgebildet ist.

10. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anschlagdämpfer (21) für die Tilgungsmasse (18) vorgesehen ist.

11. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in Längsrichtung der Kurbelwelle (4) beidseitig des Pleuels (5) ein Drehschwingungstilger (8) vorgesehen ist.