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Kurbelwelle für einen Zweitakt-24-Zylinder-Motor vom 601-W-Typ Die
Erfindung betrifft eine Kurbelwelle für einen Zweitakt-24-Zylinder-Motor vom 60'-W-Typ,
wobei die vierundzwanzig Zylinder des Motors in drei Zylinderreihen in W-Form angeordnet
sind, deren Mittelebenen in einem Winkel von 601' zueinander geneigt sind.
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Bekannt sind Kurbelwellen für einen Zweitakt-16-Zylinder-Motor vom
V-Typ, wobei die sechzehn Zylinder des Motors in zwei Zylinderreihen in V-Forrn
angeordnet sind. Diese Kurbelwellen haben ein anderes Kurbelwellenteil mit vier
Paaren von Kurbelarinen und vier dazwischenliegenden Kurbelzapfen, wobei die Achsen
der Kurbelarinpaare in der Reihenfolge der Zylinder 1, 3, 4, 2 rechtwinklig
zueinander versetzt sind. Diese Kurbelwellen enthalten weiter ein hinteres Kurbelwellenteil,
dessen Form gleich der Form des vorderen Kurbelwellenteils ist und dessen Ende mit
dem Ende des vorderen Kurbelwellenteils so verbunden ist, daß die beiden Teile um
einen Winkel von 451 zueinander versetzt sind.
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Eine derartige Kurbelwelle zeigt die Tafel 17 zwischen den
Seiten 91 und 92 des Buches von Dr.-Ing. Hans S c h r
ö n, »Die Zündfolge«, Oldenburg-Verlag, 1938.
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Um bei Brennkraftkolbenmaschinen die umlaufenden Massen und die hin-
und hergehenden Massen bzw. die von diesen Massen erzeugten Momente möglichst weitgehend
zu kompensieren, sind schon verschiedene Vorschläge gemacht worden. So ist auch
der Vorschlag bekannt, die von den Momenten verursachten Kräfte, insbesondere die
Fliehkräfte der umlaufenden Massen durch Gegenmassen an den Kurbeln zu binden.
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Auch die Kurbelwelle gemäß der Erfindung weist zwei um 45' zueinander
versetzt angeordnete Kurbelwellenhälften auf. Dadurch können die Zündungen der einzelnen
Zylinder in gleichmäßigen Intervallen erfolgen.
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Ein Ziel der Erfindung liegt darin, an der Kurbelwelle für einen Zweitakt-24-Zylinder-Motor
vom 60'-W-Typ, der sich normalerweise bereits in einem gut ausgeglichenen Zustand
befindet, an sich bekannte Ausgleichsgewichte so anzuordnen, daß die nachfolgend
aufgeführten sechs Momente möglichst klein werden.
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Bekanntlich sind nämlich beim Momentenausgleich für die Kurbelwellen
von Motoren mit hin- und herbewegten MassenfolgendeGrößenzuberücksichtigen:
1. Drehmoment für die umlaufenden Massen.
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2. Drehmoment für die hin- und hergehenden Massen erster Ordnung.
3. Drehmoment für die hin- und hergehenden Massen zweiter Ordnung.
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4. Innere Momente (Momente der Wellenstücke) infolge der umlaufenden
Massen.
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5. Innere Momente erster Ordnung infolge der hin-und
hergehenden Massen.
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6. Innere Momente zweiter Ordnung infolge der hin- und hergehenden
Massen.
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In einem Zweitakt-24-Zylinder-Motor vom 60'-W-Typ ergeben die Größen
zu 1, 2, 3 und 6 keinen Beitrag zum Gesamtmoment der Kurbelwelle,
während die Größen zu 4 und 5 bestimmte Werte annehmen können. Diese Momente
resultieren aus der Drehbewegung der umlaufenden Masse der Kurbelwelle, so daß sie
durch auf der Kurbelwelle angeordnete Gewichte ausgleichbar sind. Dieser Ausgleich,
der ein weiteres Ziel der Erfindung ist, erfolgt durch Ausgleichsgewichte, die wenigstens
an je einem Arm der Kurbelarmpaare der Zylinder 1, 4, 5, 8
angebracht sind.
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Die Masse dieser Ausgleichsgewichte wird dabei durch die Größe von
einem von zwei gleichen Vektoren bestimmt, in die der resultierende Vektor zergliedert
ist,
der sich aus den Vektoren der beiden unausgeglichenen Momente des vorderen und des
hinteren Kurbelwellenteils zusammensetzt, wobei die zuerst genannten gleichen Vektoren
kleiner sind als die Vektoren der beiden Momente.
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Erst durch das Zusammenwirken der drei angegebenen Merkmale, nämlich
die Winkelversetzung des zweiten Kurbelwellenteils gegenüber dem ersten um 45',
die erwähnte Anordnung der Ausgleichsgewichte und die oben angegebene Massenbestimmung
dieser Ausgleichsgewichte läßt sich eine Kurbelwelle der beschriebenen Art erhalten,
deren Momente so ausgeglichen sind, daß das resultierende Moment nahezu Null ist.
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Die Anordnung von Gegenmassen ist außer indem Buch von Dr.-Ing. Hans
Schrön, »Die Dynamik der Verbrennungskraftmaschine«, Springer-Verlag Wien, 1947,
S.58, auch in der USA.-Patentschrift 2 182 988 und in der britischen
Patentschrift 482 862
beschrieben.
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In der erstgenannten Druckschrift ist die Kurbelwelle eines 9-Zylinder-Motors
vom 45'-W-Typ gezeigt, die eine getrennte Ausgleichswelle komplizierter Bauart zum
Ausgleich der oben unter 3 und 6 genannten Momente aufweist. Die Versetzung
der einzelnen einander folgenden Kurbelwellenarine beträgt bei dieser Kurbelwelle
120', während sie bei der Kurbelwelle nach der Erfindung 90' beträgt.
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Bei der in der britischen Patentschrift gezeigten Kurbelwelle für
einen Motor mit drei und mehr Zylinderreihen wird durch die Kurbelarmanordnung selbst
kein Gewichtsausgleich erzielt. Dieser Veröffentlichung ist lediglich die Lehre
zu entnehmen, wie man die Momente gemäß 1 und 4 für sich allein ausgleichen
kann, ohne daß dem Konstrukteur eine Handhabe zum Ausgleich der Kräfte zu 2,
3, 5 und 6
gegeben wird.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele.
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Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer bekannten Kurbelwelle
für einen 12-Zylinder-Motor vom 60'-W-Typ; Fig. 2 zeigt schematisch die Art und
Weise, in der Ausgleichsgewichte an der in F i g. 1 dargestellten Kurbelwelle
angebracht sind; F i g. 3 zeigt ein Vektordiagramm zur Veranschaulichung
des Momentenausgleichs in der Kurbelwellenanordnung in F i g. 1 und 2; F
i g. 4 zeigt schematisch eine Kurbelwelle für einen 24-Zylinder-Motor vom
60'-W-Typ gemäß der Erfindung; F i g. 5 zeigt ein Vektordiagramm zur Veranschaulichung
der auszugleichenden Momente der Kurbelwelle von F i g. 4; F i
g. 6 zeigt schematisch eine Art der Anbringung von Ausgleichsgewichten an
der in F i g. 4 gezeigten Kurbelwelle; F i g. 7 ist ein Vektordiagramm
zur Erläuterung des Prinzips der Erfffidung; F i g. 8 zeigt schematisch eine
weitere Möglichkeit zur Anbringung von Ausgleichsgewichten an der in F i
g. 4 dargestellten Kurbelwelle.
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Die Erfindung gründet sich auf die Notwendigkeit, daß bei der Konstruktion
und Herstellung eines 24-Zylinder-W-Motors die dafür verwendete Kurbelwelle als
Ganzes möglichst in völligem Gleichgewicht sein soll und ein derartiges inneres
Moment aufweisen soll, dessen Größe so klein wie möglich sein soll, und daß die
entsprechenden Zylinder des Motors in gleichen Zeitabständen gezündet werden.
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In F i
g. 1 der Zeichnung ist schematisch eine bekannte Kurbelwelle
für einen 12-Zylinder-Motor vom 60'-W-Typ dargestellt. Die Kurbelwelle
10 besteht aus vier Kurbelarmpaaren 12 und vier Kurbelzapfen 14, die zwischen
den Kurbelarmpaaren angeordnet sind. Die Achsen der Kurbelarmpaare 12 sind zueinander
im rechten Winkel in der Zylinderfolge
1, 3, 4 und 2 versetzt. Jede der Zylinderreihen
umfaßt vier Zylinder in Reihe mit gleichen Mittelabständen
1. Die Mittelebene
der jeweiligen Zylinderreihe ist zur Mittelebene der benachbarten Zylinderreihe
um Winkel von
60' versetzt, wie aus den Linien OL, OX und OR in F i
g. 1 b ersichtlich ist. Durch die beschriebene Anordnung wird das Moment
der Kurbelwelle in seiner Größenordnung durch die Gleichung
dargestellt, wobei gilt:
Die inneren Momente der Kurbelwelle rotieren mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit,
wie die Kurbelwelle selbst rotiert. Sie lassen sich mittels zweier Gegengewichte
15 ausgleichen, die auf den beiden am weitesten außen gelegenen Kurbelarmen
der Kurbelwelle in der in F i
g. 2 dargestellten Weise befestigt sind. F
i
g. 3 ist eine Vektordarstellung des unausgeglichenen Moments, dessen Vektor
a für einen Kurbelwellenwinkel
0- = 0 dargestellt und zu der Y-Y'-Achse unter
einem Winkel von
181 26' geneigt ist.
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In F i g. 4 sind gleiche Teile wie in F i g. 1 durch
gleiche Bezugsziffem dargestellt. F i g. 4 zeigt schematisch eine Kurbelwelle
für einen 24-Zylinder-Motor vom 60'-W-Typ gemäß der Erfindung. Die Kurbelwelle 20
umfaßt ein vorderes, in der F i g. 4 linkes Kurbelwellenteil 20f,
das mit dem in der F i g. 1 dargestellten Kurbelwellenteil 10 identisch
ist, und ein hinteres, in der F i g. 4 rechtes Kurbelteil 20r, dessen Form
dem vorderen Kurbelwellenteil gleich ist und dessen Ende mit dem Ende des vorderen
Kurbelwellenteils verbunden ist. Das hintere Kurbelwellenteil ist gegen das vordere
Kurbelwellenteil, wie aus F i g. 4 ersichtlich, unter einem Winkel von 45'
im Uhrzeigersinn versetzt.
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Das vordere Kurbelwellenteil 20f umfaßt vier Kurbelarmpaare
22, deren Achsen zueinander in rechten Winkeln in der Zylinderfolge 1, 3,
4 und 2 versetzt sind, sowie vier Kurbelzapfen 24, die zwischen den zugehörigen
Kurbelarmpaaren angeordnet sind. Das hintere Kurbelwellenteil 20r enthält ein erstes
Kurbelarmpaar
22 für Zylinder 5, das mit dem Ende des vorderen Kurbelwellenteiles verbunden
ist; hierauf folgt ein zweites Kurbelarmpaar 22 für Zylinder 6; auf den das
dritte Kurbelarinpaar 22 für Zylinder 7 und das letzte bzw. vierte Kurbelarinpaar
22 für Zylinder 8 folgt. Wie aus der F i g. 4 ersichtlich ist, sind
die Achsen dieser Kurbelarmpaare zueinander im Winkel versetzt, und zwar in der
Reihenfolge der Zylinder 7, 5, 6 und 8, also in der umgekehrten Reihenfolge
des vorderen Kurbelwellenteiles, wie in F i g. 4 durch die in Klammern gesetzten
Bezugsziffern dargestellt ist. Darüber hinaus sind die Achsen der ersten, zweiten,
dritten und vierten Kurbelarinpaare des hinteren Kurbelwellenteiles unter Winkeln
von 451 gegen die vierten, dritten, zweiten und ersten Kurbelarinpaare des vorderen
Kurbelwellenteils versetzt.
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Bei der bisher beschriebenen Anordnung haben die unausgeglichenen
Momente die in F i g. 5 dargestellten Vektoren a und b. Die Größen
dieser Vektoren sind einander gleich und entsprechen der in Gleichung
(1) dargestellten Größe IM I. Die Vektoren a und b werden zu dem in
F i g. 5 gezeigten Vektor C zusammengefaßt. Bei der Berechnung der
Größe # Mc # des resultierenden Vektors C ergibt sich: iMel =
# M 1 - 2 cos (67' 30" + 18' 26') = iM1
- 2 - 0,0709 (2) = iM1 - 0,1418 .
Diese Gleichung (2)
besagt, daß das unausgeglichene Moment der in F i g. 4 dargestellten Kurbelwelle
eine Größe von nur 14,18 % des unausgeglichenen Moments einer Kurbelwelle eines
12-Zylinder-Motors des W-Typs aufweist. Daher ist zum Momentenausgleich nur eine
sehr kleine Gesamtmasse der Ausgleichsgewichte erforderlich.
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In diesem Fall kann das unausgeglichene Moment mittels zweier Ausgleichsgewichte
25 ausgeglichen worden, die, wie in F i g. 6 dargestellt, an den beiden
am weitesten außen gelegenen Kurbelarmen befestigt sind und eine dem Moment entsprechende
Trägheitskraft erzeugen. Die den beiden Vektoren a und b entsprechenden Momente
verbleiben jedoch weiterhin innerhalb der Kurbelwellenanordnung, vorausgesetzt,
daß man sich die letztere in ein vorderes und hinteres Kurbelwellentell geteilt
denkt.
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Um solche Momente auszugleichen, kann ein Ausgleichsgewicht an jedem,
am weitesten außen gelegenen Kurbelann des vorderen und hinteren Kurbelwellenteiles,
wie in F i g. 2 dargestellt, befestigt werden. Dies hat zur Folge, daß die
Ausgleichsgewichte eine zu große Masse haben.
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Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Merkmal wird dieser Nachteil
durch die folgende Maßnahme beseitigt: Wie aus der F i g. 7 ersichtlich ist,
wird der aus den ihrer Größe nach gleichen Vektoren a und b zusammengesetzte,
resultierende Vek-tor C in ein Vektorenpaar d und e zergliedert,
die einander gleich sind und eine kleinere Größe als die Vektoren a und
b aufweisen. Daraufhin wird ein Ausgleichsgewicht mit je einem an
beiden Enden jedes Kurbelwellenteils gelegenen Kurbelannpaar oder mit jedem der
Kurbelarmpaare der Zylinder 1, 4, 5 und 8 verbunden. In F!
g. 8 ist gezeigt, wie ein Paar solcher Ausgleichsgewichte 35 an beiden
Armen eines jeden Kurbelarmpaares der Zylinder 1, 4, 5 und
8 angebracht ist. Selbstverständlich kann ein Ausgleichsgewicht erforderlichenfalls
auch nur an einem Arm eines solchen Kurbelarinpaares angebracht werden.
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Die Größe der Vektoren f und g kann entsprechend den Erfordernissen
der Herstellung genau gewählt werden.
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Auf diese Weise wird die erfindungsgemäße Kurbelwelle insgesamt in
völligem Gleichgewicht gehalten, und wenn man sich die Kurbelwelle in ein vorderes
und ein hinteres Kurbelwellenteil geteilt denkt, wobei diese Teile im Aufbau identisch
sind, entspricht das Moment auf jedem der Kurbelwellenteile einem, in F i
g. 7 dargestellten Vektor f oder g, der kleiner ist als der
entsprechende ursprüngliche Vektor a bzw. b. Da die Größe des Vektors
f oder g von der Größe des zugehörigen Vektors d oder e abhängt,
sollen die Größen der verbleibenden Momente mit den Größen der gemäß den Herstellungserfordernissen
auszugleichenden Momente in Einklang gebracht werden.
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Aus der vorhergehenden Beschreibung ist zu ersehen, daß das Ziel der
Erfindung in der Schaffung einer Kurbelwelle liegt, die ein vorderes und hinteres
Kurbelwellenteil enthält, wobei die Teile ihrer Form nach gleich sind, und daß ein
Ausgleichsgewicht vorhanden ist, das mit jedem der vorderen und hinteren Arme jedes
Kurbelwellenteils verbunden ist und eine kleine Masse hat, im Vergleich zu dem Fall,
bei dem ein Ausgleichsgewicht nur mit einem der vorderen und hinteren Kurbelarine
der Kurbelwelle als Einheit verbunden ist. Der Motor weist durch die Anwendung der
Kurbelwelle gemäß der Erfindung eine äußerst geringe Erschütterungsamplitude auf.
Es wird daher auch nur eine sehr kleine Erschütterungsamplitude vom Motor über dessen
Befestigung auf die Halterung übertragen.