DE2951092A1

DE2951092A1 - Hubkolbenmaschine mit massenausgleich

Info

Publication number: DE2951092A1
Application number: DE19792951092
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 8726 Gochsheim Baier; Ulrich 8720 Schweinfurt Husse
Original assignee: Fichtel and Sachs AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1979-12-19
Filing date: 1979-12-19
Publication date: 1981-07-02
Also published as: GB2065781B; GB2065781A

Description

FICHTEL & SACHS AG, Schweinfurt/Main Patent- und Gebrauchsmusterhilfsanmeldung

Hubkolbenmaschine mit Massenausgleich

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hubkolbenmaschine, bestehend aus wenigstens zwei Zylindern, in welchen über Kurbelwellen angetriebene Kolben gleiten, während den Massenkräften auf der Kurbelwelle und/oder getrennt von dieser angeordnete rotierende Ausgleichsgewichte entgegenwirken.

Üblicherweise werden zum Ausgleich der von den hin- und hergehenden Bauteilen hervorgerufenen Massenkräfte die Kurbelwangen als Gegengewichte ausgebildet, wodurch beispielsweise bei einer Zweizylinder-Huhkolbenmaschine kein vollständiger Ausgleich der Massenkräfte und der Momente zu erzielen ist. Ferner ist es bekannt» auf zusätzlich zu der Kurbelwelle angeordneten Wellen vier Ausgleichsgewichte zu befestigen, die mit Kurbelwellendrehzahl rotieren und deren Massenkräfte entgegengesetzt zu den oszillierenden Kräften der Hubkolbenmaschine wirksam sind. Hierbei werden jeweils zwei Ausgfcichsgewichte auf einer Welle im Abstand zueinander angeordnet und die Wellen rotieren in gegensinniger Drehrichtung. Bei dem Massenausgleich von Mehrzylinder-Hubkalbenmaschinen sind die bekannten Massenausgleichssysteme in mehreren Ebenen angeordnet und der Bauaufwand sowie der Platzbedarf solcher Konstruktionen ist sehr groß.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mit einfachen Mitteln einen vollständigen Massenkraft- und Momentausgleich für eine aus wenigstens zwei Zylindern bestehende Hubkolbenmaschine zu schaffen, wobei hierzu ein möglichst geringer Bauraum beansprucht wird.

Diese Aufgabe wird entsprechend der Erfindung dadurch gelöst, daß

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zum vollständigen Ausgleich der oszillierenden Kcäfte sowie der Momente der Hubkolbenmaschine die rotierenden Ausgleichsgewichte durch drei mit Kurbelwellendrehzahl umlaufende Ausgleichsräder gebildet werden, welche Gegengewichte tragen und in einer Ebene angeordnet sind. Die Abstände der hin- und hergehenden Massen von den drei ii einer Ebene liegenden Ausgleichsrädern sind dabei so gewählt,' daß außer den Kräften auch die Momente durch diese Ausgleichsräder ausgeglichen werden.

Wie ein weiteres Merkmal der Erfindung zeigt, werden die Aus- » gleichsräder durch Zahnräder gebildet, wobei das mittlere Zahnrad ca. 50 % und die beiden anderen Zahnräder je ca. 25 % der oszillierenden Kräfte der Hubkolbenmaschine ausgleichen. Eine solche Aufteilung der Gegengewichte auf den Ausgleichsrädern bewirkt, daß das Ausgleichsrädersystem kein Moment bildet.

Wie die Erfindung zeigt, sind die Ausgleichsräder zwischen den Zylindern einer Zweizylindermaschine angeordnet, wobei entsprechend einem weiteren Merkmal die Kolben der Zweizylindermaschine gleichläufig sind, was bedeutet, daß die beiden Kolben dieselbe Stellung im Zylinder einnehmen. Sind die hin- und hergehenden Massen je Zylinder gleich, so befindet sich das Ausgleichsräder- ' system in der Mitte zwischen den Zylindern, d. h., der Abstand der Ausgleichsräder zu jeder Kolbenachse ist gleich groß.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Hubkolbenmaschine wird beispielsweise ein Zylinder als Hubkolbenbrennkraftmaschine ausgebildet, während der zweite Zylinder als Verdichter verwendet wird, wobei entsprechend der Erfindung die Kolben der Zweizylinder-Huhkolbenmaschine gegenläufig sind und die dem Ausgleich dienenden Ausgleichsräder an der freien Stirnseite der mit größerer Massenkraft behafteten Zylindereinheit angeordnet sind. Eine solche bei gegenläufigen Zweizylinder-Hubkolbenmaschinen mit unterschiedlichen Massenkräften pro Zylindereinheit günstige Anordnung der Ausgleichsräder ermöglicht eine leichte Montage und Wartung dieser Teile.

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Eine weitere Vereinfachung der Konstruktion wird gemäß weiteren Merkmalen der Erfindung dadurch erhalten, daß die Ausgleichsräder zum Antrieb von Nebenaggregaten, wie ölpumpe, Zündanlage, Lichtmaschine, Wasserpumpe, Kraftstoffpumpe u. ä. dienen bzw. daß die Ausgleichsräder zum Antrieb der Nockenwelle dienen.

Weitere Ausbildungsmöglichkeiten und vorteilhafte Wirkungen ergeben sich aus der Beschreibung des Aufbaues und der Wirkungsweise der im nachfolgenden beispielsweise dargestellten Ausführungsformen der Erfindung. Es zeigt:

Fig. 1 eine Zweizylinder-Hubkolbenmaschine in schematischer Darstellung;

Fig. 2 die Anordnung der Ausgleichsräder und

Fig· 3 eine als Gegenläufer ausgebildete Zweizylinder-Hubkolbenmaschine mit seitlich angeordneten Ausgleichsrädern.

Die in Fig. 1 dargestellte Zweizylinder-Hubkolbenmaschine besteht. aus dem linken Zylinder 1, in dem der Kolben 2 gleitet, wobei dieser Kolhen 2 über die Pleuelstange 5 auf der Kröpfung 8 der Kurbelwelle 7 gelagert ist. Diese Zylindereinheit ist beispielsweise als Brennkraftmaschine ausgeführt, während die Kurbelwelle 7 über die Kröpfung 9 und die darauf gelagerte Pleuelstange 6 den im Zylinder 3 gleitenden Kolben 4 antreibt. Diese rechte Zylindereinheit ist beispielsweise als Verdichter ausgebildet und besitzt geringere oszillierende Massen als die linke Zylinderhaugruppe. Zwischen diesen beiden Zylindern 1 und 3 befinden sich die drei Ausgleichsräder 10, 12 und I¹I, die in einer senkrecht zur Zeichenebene angeordneten und parallel zu den Kolbenachsen verlaufenden Ebene liegen. Diese Zweizylinder-Huhkolbenmaschine ist gleichläufig ausgebildet, d. h., die Kröpfungen 8 und 9 der Kurbelwelle 7 weisen in dieselbe Richtung und die Kolhen 2 und 4 sind im selben Augenblick im oberen Totpunkt. Zum Ausgleich der hin- und hergehenden Massen der Zweizylinder-Hubkolhenmaschine sind die Ausgleichsräder 10, 12 und Ik mit den Gegengewichten 11, 13 und 15 versehen. Das Ausgleichsrad 10 ist

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drehfest mit der Kurbelwelle 7 verbunden und die Ausgleichsräder

12 und 14 laufen ebenfalls mit Kurbelwellendrehzahl um, da sie gleichen Durchmesser besitzen wie das Ausgleichsrad 10. Diese Ausgleichsräder sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Zahnräder dargestellt, die ineinander kämmen, wodurch das Ausgleichsrad 14 dieselbe Drehrichtung erhält wie das Ausgleichsrad 10, während das mittlere Ausgleichsrad 12 eine zu diesen beiden Zahnrädern entgegengesetzte Drehrichtung besitzt. Die Gegengewichte 11, 13 und 15 der Ausgleichsräder 10, 12 und 14 sind so ausgelegt, daß die Summe der oszillierenden Massenkräfte null wird. Wenn die von Kolben 2 und dem Pleuelanteil 5 herrührende Massenkraft mit Fl und die von Kolben 4 und Anteil des Pleuels gebildete Massenkraft F2 bezeichnet wird, so muß die von den Gegengewichen 11, 13 und 15 der Ausgleichsräder lo, 12 und 14 herrührende Gegenkraft F3 der Summe der Massenkräfte Fl und F2 entsprechen und zu diesen entgegengesetzt gerichtet sein. Die eingezeichnete Lage der Kolben 2 und 4 im oberen Totpunkt bedingt, daß die auf den Ausgleichsrädern angeordneten Gegengewichte 11,

13 und 15 in der unteren Position der Ausgleichsräder 10, 12 und

14 liegen. Zum Momentausgleich, d. h., daß die Summe aller Momente gleich null ist, muß die Bedingung erfüllt sein, daß das Moment Fl χ Al dem Moment F2 χ Α2 entspricht.

Zum Antrieb der Nockenwelle ist beispielsweise das Ausgleichsrad 14 drehfest mit einem weiteren Zahnrad verbunden, welches im Zahnrad der Nockenwelle kämmt. Selbstverständlich können auch weitere Nebenaggregate, wie die ölpumpe, eine Zündanlage, eine Lichtmaschine, eine Wasserpumpe, eine Kraftstoffpumpe oder ahn-

liehe Aggregate von den als Zahnrädern ausgebildeten Ausgleichsrädern 10, 12 und 14 angetrieben werden.

In Fig. 2 ist die Anordnung der Ausgleichsräder 10, 12 und 14 und deren Gegengewichte 11, 13 und 15 in anderer Ansicht dargestellt. Das Ausgleichsrad 10 ist, wie bereits in Fig. 1 beschrieben, drehfest mit der Kurbelwelle verbunden und greift, da alle drei Ausgleichsräder als Zahnräder ausgebildet sind, in das Aus-

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gleichsrad 12 und dieses in das Ausgleichsrad 14 ein. Die Lage der auf den Ausgleichsrädern 10, 12 und 14 befestigten Gegengewichte 11, 13 und 15 entspricht einer Stellung der oberen Totpunktlage der Kolben 2 und 4 nach Fig. 1. Dreht sich nun die Kurbelwelle und damit das Ausgleichsrad 10 entgegen dem Uhrzeigersinn, so dreht sich das Ausgleichsrad 12 im Uhrzeigersinn und das Ausgleichsrad 14 wiederum entgegen dem Uhrzeiger. Eine Drehbewegung um 90° des Ausgleichsrades 10 bewirkt, daß das Gegengewicht 11 auf der rechten Seite zu liegen kommt, während das Gegengewicht 13 des Ausgleichsrades 12 links ließt und das Gegengewicht 15 des Ausgleichsrades 14 wiederum rechts. Damit diese Gegengewichte kein Moment erzeugen, sind sie so ausgelegt, daß die auf den Ausgleichsrädern 10 und 14 angeordneten Gegengewichte 11 und 15 je 25 % der oszillierenden Kräfte ausgleichen und das mittlere Ausgleichsrad ein Gegengewicht 13 trägt, welches 50 % der oszillierenden Kräfte ausgleicht. Ein vollständiger Kraft- und Momentena'usgleich wird auf diese Weise erhalten.

Bei der A,usführungsform nach Fig. 3 ist die Hubkolbenmaschine als Gegenläufer ausgebildet, wobei die Kurbelwellenkröpfungen und 9 auf der Kurbelwelle 7 in entgegengesetzter Richtung weisen. Wenn im Betrieb der Kolben 2 im Zylinder 1 nach oben gleitet, so bewegt sich der Kolben 4 im Zylinder 3 nach unten. Außerdem sind in diesem Ausführungsheispiel die Massenkräfte der hin- und hergehenden Massen herrührend vom Kolben 4 und dem Anteil der Pleuelstange 6 kleiner als die von Kolben 2 und Pleuelstangenanteil Zum Kraft- und. Momentausgleich sind ebenfalls drei Ausgleichsräder 10, 12 und 14 links seitlich vom Zylinder 1 angeordnet. Um auch hier einen vollständigen Kräfteausgleich zu erhalten, ist die dem Zylinder 1 zugeordnete Massenkraft Fl entgegengesetzt gerichtet zu den Massenkräften F2 und F3, wobei F2 die von dem Kolben 4 und dem Anteil der Pleuelstange 6 gebildete Massenkraft und F3 die von den Gegengewichten 11, 13 und 15 der Ausgleichsräder erzeugte Kraft ist.

Der Ausgleich, der Momente ist gegeben, wenn F2 χ Α2 gleich F3 x Al ist.

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Bei der in dieser Figur 3 eingezeichneten Kolbenstellung sind die auf den Ausgleichsrädern 10, 12 und 14 angeordneten Gegengewichte 11, 13 und 15 in der Lage, wie sie bereits in Fig. 2 eingezeichnet sind. Die Größe der Gegengewichte ist bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführung wesentlich geringer als bei der Ausführungsform nach Fig. 1. Da die Ausgleichsräder von der Stirnseite der Hubkolbenmaschine leicht zugänglich sind, wird nicht nur die einfache Montage und Wartung ermöglicht, sondern es ergibt sich dadurch gleichzeitig ein leichter Anschluß für den Antrieb von Nebenaggregaten bzw. ein leicht zugänglicher Antrieb für die Nockenwelle.

Es ist ohne weiteres möglich, die vorstehend beschriebene Auswuchtung der Massenkräfte erster Ordnung auch für mehr als Zweizylinder-Ausführungen der Hubkolbenmaschine anzuwenden. Beispielsweise kann auf der Kurbelwellenkröpfung 9 eine weitere Pleuelstange angeordnet sein, die auf eine entgegengesetzt zu der Zylinder 3 und Kolben ^ liegende weitere Zylinderkolbeneinheit wirkt.

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Claims

2951Ό92 FICHTEL & SACHS AG, Schweinfurt/Main Patentansprüche

1.7 Hubkolbenmaschine, bestehend aus wenigstens zwei Zylindern, ^ in welchen über Kurbelwellen angetriebene Kolben gleiten, wobei den Massenkräften auf der Kurbelwelle und/oder getrennt von dieser angeordnete rotierende Ausgleichsgewichte entgegenwirken, dadurch gekennzeichnet, daß zum vollständigen Ausgleich der oszillierenden Kräfte sowie der Momente die rotierenden Ausgleichsgewichte dur-ch drei mit Kurbelwellendrehzahl umlaufende Ausgleichsräder {10, 12, 14) gebildet werden, welche Gegengewichte (11, 13» 15) tragen und in einer Ebene angeordnet sind.

2. Jiubicolbenmas chine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsräder (10, 12, I¹D durch Zahnräder gebildet werden, uobei das mittlere Zahnrad ^12) ca. 50 % und die beiden anderen Zahnräder-(10, I¹J) je ca. 25 % der von der Hubkolbenmaschine herrührenden oszillierenden Kräfte ausgleichen.

3· Hubkolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 Tand 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsräder (10, 12, 1^) zwischen den Zylindern (I₄ 3) einer Zweizylindermaschine angeordnet sind.

%. Hubkolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (2, 4) der "Zweizylindermaschine ^gleichläufig sind.

5. Hubkolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die hin- und hergehenden Massen der Zweizylinder-Hubkolbenmaschine pro Zylinder unterschiedlich sind.

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6. Hubkolbenmaschine nach den Ansprüchen 1, 2 und 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kolben (2, ¹O der Zweizylinder-Hubkolhenmaschine gegenläufig sind und die Ausgleichsräder

(10, 12, I¹I) an der freien Stirnseite der mit größerer Massenkraft behafteten Zylindereinheit angeordnet sind.

7. Hubkolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsräder (10, 12, 14) zum Antrieb von Nehenaggregaten dienen.

8. Hubkolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsräder (10, 12, 14) zum Antrieb der Nockenwelle dienen.

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