DE3720559A1

DE3720559A1 - Einrichtung zum ausgleich von wechselmomenten

Info

Publication number: DE3720559A1
Application number: DE19873720559
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr Ing Krueger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1986-07-04
Filing date: 1987-06-22
Publication date: 1988-01-14
Anticipated expiration: 2007-06-23
Also published as: DE3720559C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Ausgleich von durch Gas- oder Massenkräfte erzeugten Wechselmomenten um die Längsachse von Hubkolben- Kurbelwellenmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bekanntlich treten beim Betrieb von Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen freie Kräfte und Momente auf, die besonders durch die hin- und hergehenden Teile der Kurbelwellenmaschine, wie Kolben, Pleuelstange und dgl. verursacht sind und die je nach Art der Maschine sowie nach Zahl und Anordnung der Kurbelkröpfungen der Kurbelwelle in mehr oder weniger großem Maße unausgeglichen sind und damit das Laufverhalten und die Laufruhe der Hubkolbenmaschine wesentlich beeinflussen. Bekannte Ausgleichsmaßnahmen dienen dazu, die freien Massenkräfte bzw. freien Massenmomente um die Quer- und Hochachse der Kurbelwellenmaschine unter Verwendung von umlaufenden Gegengewichten bzw. Gegengewichtspaaren auszugleichen. So ist beispielsweise eine als Lancester-Ausgleich bezeichnete Einrichtung zum Ausgleich der Massenkräfte II. Ordnung an Kurbelwellenmaschinen, insbesondere anVierzylinder-Viertakt-Reihenmotoren, bekannt, bei der zwei mit exzentrisch angeordneten Gegengewichten versehene, parallel zur Kurbelwelle im Kurbelgehäuse angeordnete Nebenwellen in zueinander entgegengesetzter Richtung mit doppelter Kurbelwellendrehzahl umlaufen.

Nun treten aber bei derartigen Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen infolge der in ihnen wirksamen, über den Arbeitstakt veränderlichen Gas- und Massenkräfte auch Wechselmomente um die Längsachse der Kurbelwellenmaschine auf. Während im unteren Drehzahl- und Lastbereich die Gaskräfte für das Entstehen solcher Wechselmomente verantwortlich sind, die beispielsweise auch zu dem bei Diesel-Brennkraftmaschinen auftretenden, bekannten Dieselschütteln im Leerlauf führen, zeigen sich in oberen Drehzahl- und Lastbereichen Wechselmomente infolge von veränderlichen Massenkräften.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine Einrichtung zum Ausgleich solcher an Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen auftretenden Wechselmomente zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Danach wird der Ausgleich dieser Wechselmomente durch wenigstens eine in einem festen Drehwinkelverhältnis zur Kurbelwelle und gegenläufig zu dieser rotierend angetriebene Ausgleichsmasse erzielt, die den von der HubkolbenKurbelwellenmaschine erzeugten Wechselmomenten entgegengerichtete veränderliche Momente erzeugt. Um einen vollständigen Ausgleich dieser Wechselmomente zu erreichen, soll das Trägheitsmoment dieser Ausgleichsmassen im wesentlichen dem Trägheitsmoment der auf der Kurbelwelle angeordneten Schwungmassen entsprechen, wobei das Übersetzungsverhältnis zwischen der Ausgleichsmasse und der Kurbelwelle zu berücksichtigen ist. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß den übrigen Unteransprüchen. Der entscheidende Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht also darin, die von der Hubkolben-Kurbelwellenmaschine erzeugten Wechselmomente durch entsprechende, entgegengerichtete Wechselmomente einer Ausgleichsmasse zu kompensieren, indem diese Ausgleichsmasse gegenläufig zur Kurbelwelle, aber infolge der Kopplung der Drehwinkel mit dem gleichen Drehzahlverhalten angetrieben wird.

In der Zeichnung sind in den Fig. 1 bis 4 vier verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Ausgleichseinrichtung in schematischer Darstellungsweise gezeigt, die im folgenden näher erläutert werden. Dabei sind jeweils gleiche oder vergleichbare Bauteile in den einzelnen Figuren der Zeichnung mit gegenüber der Fig. 1 um 10, 30 oder 40 erhöhten Bezugszeichen angegeben.

So ist in der Fig. 1 mit 1 das Gehäuse der schematisch dargestellten Hubkolben- Kurbelwellenmaschine bezeichnet, in dem ein insgesamt mit 2 angedeuteter Maschinenmechanismus, beispielsweise ein aus Kolben-Pleuel und Kurbelkröpfungen Kurbelwelle der Maschine ist insgesamt mit 3 bezeichnet und gegenüber dem Gehäuse 1 in Lagern 5 gelagert. Die auf dieser Kurbelwelle 3 vorgesehenen Schwungmassen sind hier zu einer Ersatzschwungmasse 4 zusammengefaßt, die das Trägheitsmoment R ₁ aufweist.

Bei der in der Fig. 1 gezeigten Ausführung ist auf einer parallel zur Kurbelwelle 3 gehaltenen Nebenwelle 7, die in Lagern 8 gegenüber dem Gehäuse 1 abgestützt ist, eine Ausgleichsmasse 6 mit dem Trägheitsmoment R ₂ gehalten. Die Nebenwelle 7 wird von der Kurbelwelle 3 über ein Zahnradgetriebe 9 so angetrieben, daß die Nebenwelle 7 einen der Kurbelwelle 3 entgegengesetzten Umlaufsinn aufweist aber zwischen den beiden Wellen ein konstantes Drehwinkelverhältnis vorliegt.

Bei der Ausführung nach der Fig. 2 ist die Ausgleichsmasse 16 auf einer parallel zur Kurbelwelle 13 am Gehäuse 11 feststehend gehaltenen Nebenwelle oder Zapfen 17 drehbar mittels eines Lagers 18 gehalten, wobei zum Antrieb der beispielsweise mit einer Außenverzahnung versehenen Ausgleichsmasse 16 ein starr auf der Kurbelwelle 13 gehaltenes Antriebszahnrad 19 vorgesehen ist. Zusätzlich zu dieser ersten Ausgleichsmasse 16 ist eine zweite Ausgleichsmasse vorgesehen, die im wesentlichen aus einer auf der Kurbelwelle 13 mittels eines Lagers 22 gelagerten Scheibe 20 besteht, die mit einer Ringverzahnung 21 in die Verzahnung der Ausgleichsmasse 16 eingreift. Das gesamte Trägheitsmoment der Ausgleichsmasse setzt sich somit aus dem Trägheitsmoment der ersten Ausgleichsmasse 16 R ₁ und dem Trägheitsmoment der Scheibe 20 R ₃ zusammen, wobei sich gegenüber der Ausführung nach Fig. 1 eine kompaktere Anordnung der Ausgleichseinrichtung ergibt. Wesentlich trägt dazu die scheibenförmige Ausgleichsmasse 20 bei, die schon aufgrund ihres größeren Durchmessers die Verwirklichung großer Trägheitsmomente ermöglicht.

Bei der Ausführung nach der Fig. 3 wird die Ausgleichsmasse durch mehrere über den Umfang verteilte Planetenräder 36 gebildet, die jeweils auf planetenradträgerartigen Stegen 37 mittels Lagern 38 drehbar gelagert sind. Diese planetenradträgerartigen Stege 37 sind dabei unmittelbar mit der Kurbelwelle 33, gegebenenfalls auch mit einem Teil der auf dieser gehaltenen Schwungmasse 34 verbunden. Die die Ausgleichsmasse bildenden Planetenräder 36 weisen eine Verzahnung auf, mit der sie an einer am Gehäuse 31 gehaltenen Ringverzahnung 39 in Eingriff stehen. Beim Antrieb der Kurbelwelle 33 führen somit die Planetenräder 36 eine der Umdrehung der Kurbelwelle entgegengesetzte Drehbewegung um ihre jeweilige Achse aus, die wieder in einem konstanten Drehwinkelverhältnis zur Kurbelwellenbewegung steht.

In der Fig. 4 ist eine Ausführung gezeigt, beider auf der Kurbelwelle 43 drehbar mittels eines Lagers 48 eine Ausgleichsmasse 46 gehalten ist, die von einem Zwischenrad 50 über eine Verzahnung 51 entgegen dem Drehsinn der Kurbelwelle antreibbar ist. Das Zwischenrad 50 ist auf einer parallel zur Kurbelwelle am Gehäuse feststehend gehaltenen Achse 47 mittels eines Lagers 52 gelagert und wird dabei von einem mit der Kurbelwelle 43 verbundenen innenverzahnten Ringrad 49 angetrieben. Da das Zwischenrad 50 den gleichen Drehsinn wie die Kurbelwelle aufweist, muß folglich ihr Trägheitsmoment unter Berücksichtigung der Übersetzung der Kurbelwelle zugerechnet werden.

Die Ausgleichswirkung der erfindungsgemäßen Ausgleichseinrichtung bezüglich der von dem Maschinenmechanismus in der Kurbelwelle erzeugten Wechselmomente soll nun nachfolgend anhand der Fig. 1 der Zeichnung näher erläutert werden. Hierbei wird die Ausgleichsmasse von dem Zahnradgetriebe 9 gegenläufig zur Drehrichtung der Kurbelwelle 3 angetrieben, wobei das Drehzahlübersetzungsverhältnis zwischen der Nebenwelle 7 und der Kurbelwelle 3 sich aus der Zähnezahl bzw. den Teilkreisradien r ₁ und r ₂ der Zahnräder des Zahnradgetriebes 9 ergibt.

Ausgegangen wird nun davon, daß die Kurbelwelle 3 ein konstantes Antriebsmoment M _a nach außen abgibt. Das Maschinengehäuse 1 überträgt dann ein dem Antriebsmoment entsprechendes, jedoch entgegengesetzt gerichtetes Moment -M _a auf eine elastische Lagerung des Gehäuses 1. Der Maschinenmechanismus 2 erzeugt aber an der Kurbelwelle 3 ein Moment, das sich aus dem Antriebsmoment und dem Wechselmoment M _w zusammensetzt, woraufhin an dem Gehäuse das Moment -(M _a + M _w) entsteht.

Während das konstante Antriebsmoment M _a bzw. -M _a am Wellenende bzw. an der Gehäuselagerung abgestützt wird, ruft das Wechselmoment M _w Drehwinkelbeschleunigungen -der in dem System enthaltenen Schwungmassen hervor. Über die Verzahnung des Zahnradgetriebes 9 sind nun die Schwungmasse 4 der Kurbelwelle 3 mit dem Trägheitsmoment R ₁ und die Schwungmasse der Ausgleichsmasse 6 mit dem Trägheitsmoment R ₂ verbunden, wobei zwischen den Drehwinkeln dieser Massen folgende Beziehung besteht:

und

Dabei bezeichnet ϕ den Drehwinkel der auf der Kurbelwelle angeordneten Schwungmasse 4 und ϕ ₂ den Drehwinkel der auf der Nebenwelle angeordneten Ausgleichsmasse 6 während r ₁ den Teilkreisradius des auf der Kurbelwelle angeordneten Zahnrades und r ₂ den Teilkreisradius des auf der Nebenwelle angeordneten Zahnrades des Zahnradgetriebes 9 angeben. Wenn man die Schwungmasse der Ausgleichsmasse 6 auf die Kurbelwelle reduziert, ergibt sich aus der Forderung, daß an der Kurbelwelle ein Momentengleichgewicht herrschen muß, die Beziehung:

Zur Drehwinkelbeschleunigung der Ausgleichsmasse 6 werden im Zahneingriff des Zahnradgetriebes 9 Zahnkräfte F _Z wirksam nach der Beziehung

Diese Zahnkräfte rufen in der Lagerung der Nebenwelle 7 Reaktionskräfte L mit

L = -F _Z

und im Gehäuse 1 ein Ausgleichsmoment M _A um die Achse der Kurbelwelle hervor, für das gilt:

M _A = L (r ₁ + r ₂) = -F _Z (r ₁ + r ₂-)

Das Momentengleichgewicht für das Gehäuse mit dem Trägheitsmoment R _G und dem Drehwinkel ϕ _G lautet dann:

R _G · _G-M _w + M _A = 0.

Soll das Gehäuse in Ruhe bleiben muß wegen _G = 0 folgen:

-M _w + M _A = 0 bzw.

Schließlich folgt unter Berücksichtigung der oben stehenden Beziehungen

Zum vollständigen Ausgleich des axialen Maschinengehäusewechselmomentes ist also die zur Kurbelwelle gegenläufige Ausgleichsmasse so auszubilden, daß ihr Trägheitsmoment dem Trägheitsmoment der auf der Kurbelwelle angeordneten Schwungmasse multipliziert mit dem Kehrwert des Drehzahlübersetzungsverhältnisses zwischen der Ausgleichsmasse und der Kurbelwelle entspricht. Unter diesen Bedingungen erfährt das Maschinengehäuse keine Wechseldrehbeschleunigungen mehr. Die Wechseldrehbeschleunigungen der Maschinenwelle ergeben sich dann

Aus der zuletzt angeführten Gleichung folgt nun, daß für ein Übersetzungsverhältnis r ₂/r ₁ = 1 die Drehbeschleunigung ϕ ₁ der Kurbelwelle derjenigen einer Maschine ohne Ausgleich entspricht, wenn man, wie dies zweckmäßig ist, die Schwungmassen je zur Hälfte auf der Kurbelwelle und auf der Neben- bzw. Ausgleichswelle anordnet.

Die oben gezeigten Beziehungen und Gleichungen gelten im wesentlichen zunächst nur für eine Ausführung gemäß der Fig. 1. Sie lassen sich jedoch in ähnlicher Weise auch für die anderen Ausführungsbeispiele, wie sie in den Fig. 2 bis 4 gezeigt sind, in entsprechender Weise ermitteln.

Claims

1. Einrichtung zum Ausgleich von durch Gas- oder Massenkräfte erzeugten Wechselmomenten um die Längsachse von Hubkolben-Kurbelwellenmaschinen, die jeweils eine in einem feststehenden Maschinengehäuse gelagerte und mit Hubkolben verbundene Kurbelwelle aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Maschinengehäuse (1; 11; 31; 41) zumindest eine mit einem konstanten Drehwinkelverhältnis gegenläufig zur Kurbelwelle (3; 13; 33; 43) rotierend angetriebene Ausgleichsmasse (6; 16; 20; 36; 46) gehalten ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägheitsmoment der Ausgleichsmasse (6; 16; 20; 36; 46) im wesentlichen dem Trägheitsmoment der auf der Kurbelwelle (3; 13; 33; 43) angeordneten Schwungmassen (2; 12; 32; 42) entspricht, multipliziert mit dem reziproken Wert des Drehzahlübersetzungsverhältnisses -zwischen der Ausgleichsmasse und der Kurbelwelle.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsmasse von der Kurbelwelle über ein eine umfangsspielfreie Drehmomentübertragung bewirkendes Getriebe (9; 19; 39; 49) antreibbar ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsmasse von der Kurbelwelle über ein Zahnradgetriebe antreibbar ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsmasse durch ein Planetengetriebe antreibbar ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsmasse (6; 16) um eine parallel zur Achse der Kurbelwelle (3; 13; 43) angeordnete Achse drehbar gehalten ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsmasse (20; 36; 46) um die Kurbelwelle (13; 33; 43) drehbar gehalten ist.