Einrichtung zum Massenausgleich bei Kolbenmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf die Einrichtung zum Massenausgleich (Harmonische Kraftschwin gungen I. Ordnung) bei Kolbenmaschinen, insbeson dere bei Zweitaktmotoren mit einmal gekröpfter Kurbelwelle, bei denen die freien, von den hin und her gehenden Massen hervorgerufenen Kräfte mit Hilfe einerseits von an der Kurbelwelle und ander seits an zwei Hilfswellen angebrachten Gegengewich ten ausgeglichen werden, wobei beide Hilfswellen, deren Achsen parallel mit der Kurbelwellenachse, jedoch mit dieser nicht in einer Ebene liegen,
mit derselben Winkelgeschwindigkeit wie die Kurbelwelle rotieren.
Die erfindungsgemässe Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, d'ass zwei entgegengesetzt rotierende Gegengewichte vorgesehen sind, von denen das eine auf der Kurbelwelle und das andere auf einer ersten Hilfswelle angeordnet sind, wobei das auf der Kur belwelle angeordnete Gegengewicht die Hälfte der hin und her gehenden Massen ausgleicht und eine Fliehkraft erzeugt, die mit einer ersten Komponente der Fliehkraft des auf der ersten Hilfswelle ange ordneten Gegengewichtes eine Resultierende ergibt, welche mit den freien Kräften der hin und her ge henden Massen in einer Querebene des Motors ein erstes Kräftepaar bildet, welches durch ein zweites Kräftepaar ausgeglichen wird,
das vorzugsweise durch die Fliehkräfte zweier weiterer in gleicher Richtung rotierender Gegengewichte gebildet ist.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in der Zeichnung dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine graphische Lösung der Aus gleichsmethode von freien Massenkräften eines. Einzylindermotors.
Fig. 2 ist eine schematisch dargestellte Schräg ansieht des Ausgleichsorgans. Fig. 3 stellt eine zu Fig. 2 analoge Ausführung des Ausgleichsorgans bei einem Zweitakt Einzylin- dermotor dar.
Fig. 4 ist eine Ansicht mit teilweisem Schnitt durch einen Kurbelwellen- und Steuerungsmecha nismus eines Zweitakt-Einzylindermotors.
Fig. 5 zeigt eine Ansicht von oben auf die in Fig. 4 dargestellte Einrichtung.
Fig. 6 ist eine schematische Schrägansicht der Ausgleichsorgane, welche bei einem Zweizylinder motor mit in einem Winkel von 180 versetzter Kur belwelle angewendet wird.
Das Gegengewicht mo, das einesteils die Wirkung der rotierenden Massen und anderseits die Hälfte der Wirkung der hin und her gehenden Massen aus gleicht, ist beim Einzylindermotor auf den Armen der mit einer Winkelgeschwindigkeit von co rotieren den Kurbelwelle 0 befestigt. Die vertikale Kompo nente der Fliehkraft VD des Gegengewichtes mo ist gleich der Hälfte der freien Kräfte der hin und her gehenden Massen.
Die Fliehkraft VD wird durch die Gleichung
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bestimmt, in welcher für einen Einzylindermotor die Konstante A i das Produkt des Gewichtes der hin und her gehenden Bestandteile und des Kurbelarmes der Welle bedeutet. Die Kurbelwelle ist auf dieser Figur in einer um einen Winkel <B>99</B> von der obern Totlage versetzten Lage aufgezeichnet.
Für den Ausgleich der restlichen Hälfte der freien, von den hin und her gehenden Massen stammenden Kraft dient die Komponente Ui von gleicher Grösse wie VD. Ui ist eine Komponente der Fliehkraft V1 des Gegengewichtes m1, welches jedoch auf der Hilfs- welle 1 angeordnet ist. Diese Hilfswelle muss parallel mit der Kurbelwellenachse verlaufen, ansonsten kann ihre Anordnung beliebig gewählt werden.
Die Hilfswelle 1 wird von der Kurbelwelle mittels Zahn räder Ko, K1 mit einer übersetzung von 1 : 1 in der der Drehrichtung der Kurbelwelle entgegengesetzten Richtung, angetrieben. Die Wirkung dieses Gegen gewichtes ist durch den Vektor U1 gegeben, welcher mit Bezug zur Zylinderachse ebenfalls einen Nei gungswinkel von cp hat, jedoch in entgegengesetzter Richtung als der Vektor Vo. Die Resultierende der Vektoren Vo und Ui ist gleich der freien Kraft (I.
Ordnung) der hin und her gehenden Massen, wo bei jedoch ihre Wirkung ausserhalb der Zylinder achse liegt, so dass sie mit der freien Kraft in der Querebene des Motors ein Momentpaar bildet. Dieses Kippmoment Ml ist sinusartig nach der Beziehung
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wo Öl die Entfernung der Wellenachsen 0 und 1 darstellt, W der Winkel ist, der durch den Ausdruck
EMI0002.0019
gegeben ist, wobei xi, y, Koordinaten der Hilfs- wellenachse 1 darstellen.
Zum Ausgleich dieses Kippmomentes wird ein Hilfsmomentenpaar der Fliehkräfte V", und<I>V2</I> an gewendet, die durch zwei gleich grosse Vektoren dar gestellt sind, die auf den Arm 12 wirken, welcher durch die Entfernung der Wellenachsen 1 und 2 be stimmt ist, gegenseitig um 180 versetzt sind und mit einer Winkelgeschwindigkeit (o in einer der Dreh richtung der Kurbelwelle entgegengesetzten Richtung rotieren. V2 stellt die Fliehkraft des Gewichtes m2 und V_" eine Komponente der Fliehkraft V, dar.
Als Wirkungsstelle eines der Vektoren Vm dient die Achse der angeführten Welle 1 und für die Wir kungsstelle des zweiten Vektors Vn die Achse der das Gegengewicht M2 tragenden zweiten Hilfswelle 2, die mit der Kurbelwellenachse parallel, aber sonst beliebig angeordnet werden kann. Beide Hilfswellen sind in bezug zur Kurbelwellenachse unsymmetrisch angeordnet.
Die Grösse der Vektoren Vu und V2 ist durch die Gleichung
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gegeben, wobei 12 die Entfernung beider Hilfswellen darstellt. Die Hilfswelle 2 ist von der Kurbelwelle mittels Zahnräder K'o und K'2 mit einer Übersetzung 1 : 1 angetrieben, so dass sie entgegengesetzt der Drehrichtung der Kurbelwelle rotiert.
Die Vektoren V@i, V2 wirken in der Weise, dass der von der Ver bindungslinie 12 zum entsprechenden Vektor in der Richtung seiner Rotierung gemessene Winkel a bei der aufgezeichneten Drehrichtung der Kurbelwelle der Gleichung<I>s =</I> ic <I>+</I> T <I>+</I> -# entspricht. Die durch geometrische Addition der Vektoren U1 und VM ent standene Resultierende V, ist durch das Gegen gewicht realisiert, welches auf der Hilfswelle 1 an geordnet ist.
Der auf der Hilfswelle 2 wirkende Vektor V2 ist durch das auf dieser Welle sitzende Gegengewicht m2 realisiert.
Das Ausgleichssystem besteht daher mindestens aus drei Gegengewichten, wobei das eine Gegen gewicht direkt an der Kurbelwelle und weitere Ge gengewichte an zwei Hilfswellen 1, 2 vorgesehen sind, die mit derselben Geschwindigkeit rotieren wie die Kurbelwelle, und zwar entweder beide in der der Kurbelwellenrichtung entgegengesetzten Dreh richtung oder eine Welle in derselben und die andere in der entgegengesetzten Richtung als die Kurbel welle. Für diese Hilfswellen können z. B. bestehende Wellen, die zum Antrieb von Hilfseinrichtungen dienen, benützt werden, das heisst Wellen des Steuer mechanismus, des Kompressors, der Einspritzpumpe und ähnlichen.
Die aus Fig. 1 ersichtliche Anordnung aller Ge gengewichte in der Ebene XY, die senkrecht durch die Zylinderachse zur Kurbelwellenachse führt, ist vom Standpunkt der Konstruktion nur selten mög lich. Im Falle eines nicht vollkommenen Ausgleiches, das heisst, wenn freie Längsmomente zulässig sind, kann die Anordnung der Gegengewichte nur an einer Seite des Zylinders vorgenommen werden. Ein voll kommener Ausgleich wird durch die Anordnung der selben an beiden Seiten des Zylinders erreicht, wie dies für einen Einzylindermotor aus Skizzen 2 bis 6 ersichtlich ist.
In Fig. 2 ist ein Ausgleich mittels zweier auf der Kurbelwelle angeordneter, das Gegengewicht mo bil denden Massen WO und m"o und mittels der auf den Hilfswellen an beiden Seiten des Zylinders ange brachten Massen dargestellt.
Die an einer gemein samen Welle wirkenden nicht dargestellten Vektoren V'1, V"1 oder V'2, <I>V"2</I> der Fliehkräfte sind gleich gerichtet; für die Bestimmung ihrer Grösse gilt die Bedingung, dass ihre resultierende Fliehkraft in der Ebene XY <I>zu</I> liegen hat, und d'ass sie mit der Flieh kraft des ursprünglichen Vektors V1 oder V2 des eingangs beschriebenen Falles identisch sein muss. Jede der zwei an der Kurbelwelle angebrachten Massen mo dient zum Ausgleich einer Hälfte der ro tierenden und eines Viertels der hin und her gehen den Massen.
Eine Vereinfachung der angetriebenen Mecha nismen von Hilfseinrichtungen kann dann eintreten, wenn die Hilfswellen in gleicher Entfernung von der Kurbelwelle angeordnet sind, so dass nur drei Zahn räder gleichen Durchmessers anzuwenden sind.
Auf Fig. 3 ist ein Massenausgleich dargestellt, bei welchem ausser den auf der Kurbelwelle vorge sehenen Massen noch drei Massen an den Hilfs wellen angeordnet sind, wobei zwei Massen m-xi und mxxi je auf einer der Zylinderachsen an der Hilfswelle 1 vorgesehen sind und nur eine, das Gegengewicht m2 bildende Masse an einer Seite des Zylinders an der Welle 2.
Dieser Fall kann aus Fig. 2 so abgeleitet werden, dass durch die Vereinigung der Vektoren V'2 und V"2 in einen Vektor<I>V2</I> ein Moment ent steht, welches durch Hinzufügung des entsprechen den Momentpaares zu den Vektoren V'1, V111 be seitigt wird. Die Gegengewichte sind gegenseitig ver schieden versetzt und haben allgemein auch verschie dene Grössen.
Die Fig. 4 und 5 zeigen eine Ausführungsform des Ausgleiches hin und her gehender Massen bei einem Einzylind'ermotor im Falle, dass die Achsen der Hilfswellen 1, 2 in einer zur Zylinderachse senk rechten Ebene und in einer gleichen Entfernung von derselben angeordnet sind. Die Kurbelwelle ist mit zwei Gegengewichten zwecks Ausgleich der rotieren den und der Hälfte der hin und her gehenden Massen versehen.
Von der Kurbelwelle wird die Bewegung durch die Zahnräder Ko, K1 und KD, K2 mit einer Übersetzung 1 : 1 auf die Hilfswellen 1, 2 übertra gen, wobei die Welle 1 zum Antrieb des rotierenden, den Eintritt der Spülluft in das Motorgehäuse bzw. Motorzylinder regulierenden Schiebers<B>9</B> dient.
Die Welle 1 ist in Lagern L gelagert, und an beiden Seiten sind in gleicher Entfernung von der Zylinder achse die gleich grossen Massen mxl und mXX1 an geordnet, von denen jede ein Viertel der hin und her gehenden Massen ausgleicht. Die Masse mxl ist di rekt mit dem Zahnrad K1, das die Hilfswelle 1 an treibt, verbunden, während die Masse m--,x, am Ende der Welle 1 befestigt ist.
Die gegenseitige Lage bei der Massen ist so, dass die entsprechenden Vektoren der Fliehkräfte einen Winkel von 90 einschliessen, wobei der Vektor der Masse mXXl mit dem Vektor der Masse auf der Kurbelwelle im Augenblick, wenn sich diese in oberer Totlage befindet, parallel ist. Das Gegengewicht m2 auf der Hilfswelle 2 ist direkt am Zahnrad K2 befestigt. Das Gegengewicht auf der Welle 2 ist so versetzt, dass, wenn sich die Kurbel in oberer Totlage befindet, seine Fliehkraft senkrecht auf die Ebene der Wellenachsen 0, 2 wirkt.
Das Ende der Hilfswelle 1 ist mit einem Flieh kraftregler versehen, dessen auf der Welle verschieb bare Hülse von den Fliehkräften der Gegengewichte Z, die vorn an das Antriebsrad K1 schwingend be festigt sind, gesteuert wird.
Gleicherweise wie die freie Kraft bei einem Ein- zylindermotor ausgeglichen wird, ist es möglich, auch die freien Kräfte (Kräfte I. Ordnung) bei Mehr- zylindermotoren auszugleichen. Die Art des Aus gleiches bei einem Reihenmotor mit um 180 ver setzten Kurbeln ist auf Fig. 6 dargestellt. Die freien Kräfte wirken in der Zylinderebene.
Mit Hilfe der an der Kurbelwelle angeordneten Gegengewichte wird ausser den, von rotierenden Massen stammenden Kräften noch die Hälfte des durch die hin und her gehenden Massen hervorgerufenen Kräfte ausge glichen. Mit Hilfe von zwei Gegengewichten, die an der Hilfswelle 1 angebracht sind und weiteren zwei Gegengewichten m2, die an der Hilfswelle 2 vor gesehen sind, wird die zweite Hälfte der freien Kräfte der hin und her gehenden Massen in der Weise aus geglichen, d:ass kein Kippmoment in der Querrich tung entsteht.
Hierbei sind die Gegengewichte der selben Hilfswelle gegeneinander um 180 versetzt.
Auf die gleiche Weise können auch die freien Kräfte bei Maschinen mit mehreren Zylindern in mehreren Reihen ausgeglichen werden.