DE3720559C2

DE3720559C2 - Einrichtung zum Ausgleich von Wechselmomenten

Info

Publication number: DE3720559C2
Application number: DE3720559A
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: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2007-06-23
Also published as: DE3720559A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Ausgleich von durch Gas- oder Massenkräfte erzeugten Wechselmomenten um die Längsachse von Hubkol ben-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 Kurbel wellenmaschine, 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 beeinflus sen. 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 an Vierzylinder-Viertakt-Reihenmotoren, bekannt, bei der zwei mit exzentrisch angeordneten Gegengewichten versehene, parallel zur Kurbelwelle im Kurbelgehäuse angeordnete Nebenwellen in zueinander entgegengesetzter Rich tung 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-Brenn kraftmaschinen auftretenden, bekannten Dieselschütteln im Leerlauf führen, zeigen sich in oberen Drehzahl- und Lastbereichen Wechselmomente infolge von veränderlichen Massenkräften.

Aus der DE 28 22 589 C2 ist eine gattungsgemäße Einrichtung zum Ausgleich von Wech selmomenten um die Längsachse einer Hubkolbenbrennkraftmaschine bekannt, die eine in einem Maschinengehäuse gelagerte und mit Hubkolben verbundene Kurbelwelle aufweist, wobei in diesem Gehäuse zumindest eine mit einem konstanten Drehwinkelverhältnis gegen läufig zur Kurbelwelle rotierend angetriebene Ausgleichsmasse gehalten ist.

Eine weitere Einrichtung ist aus der DE-Z "ATZ", Jahrgang 64, Heft 10, Oktober ′62, Seiten 306-311 bekannt. Die dort innerhalb eines Kurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine ange ordnete Nebenwelle wird von der Kurbelwelle aus gegensinnig mittels eines Zahnradgetrie bes in Rotation versetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Ausgleich von durch Gas- oder Massenkräften erzeugten Wechselmomenten um die Längsachse von Hubkolben- Kurbelwellenmaschinen zu schaffen, welche einen nahezu vollständigen Ausgleich dieser Momente erzeugt.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich durch die im Kennzeichen des Patentan spruchs 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 Hubkolben-Kurbelwellenmaschine erzeugten Wechselmomenten entgegen gerichtete veränderliche Momente erzeugt. Um einen vollständigen Ausgleich dieser Wechselmomente zu erreichen, soll das Trägheitsmoment dieser Ausgleichs massen im wesentlichen dem Trägheitsmoment der auf der Kurbelwelle angeordneten Schwungmassen, multipliziert mit dem reziproken Wert des Drehzahlübersetzungsverhältnisses zwischen der Ausgleichsmasse und Kurbelwelle, entsprechen. Hierbei wird die Ausgleichsmasse von der Kurbelwelle über ein eine umfangsspielfreie Drehmomentübertragung bewirkendes Zahn radgetriebe angetrieben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den 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 Maschi nenmechanismus, beispielsweise ein aus Kolben- Pleuel und Kurbelkröpfungen bestehendes Triebwerk einer Hubkolben-Brennkraftmaschine gehalten ist. Die Kurbelwelle der Maschine ist insgesamt mit 3 bezeichnet und gegenüber dem Gehäuse 1 in Lagern 5 gelagert. Die auf dieser Kurbelwelle 3 vorgesehenen Schwung massen sind hier zu einer Ersatzschwungmasse 4 zusammengefaßt, die das Träg heitsmoment ⊖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 ⊖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, zapfenartigen Nebenwellen 17 drehbar mittels eines Lagers 18 gehalten, wobei zum Antrieb der beispielsweise mit einer Außenverzahnung versehenen Ausgleichsmasse 16 ein starr auf der Kurbel welle 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⊖₁ und dem Träg heitsmoment der Scheibe 20⊖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 36 durch mehrere über den Umfang verteilte Planetenräder gebildet, die jeweils auf Nebenwellen 37 mittels Lagern 38 drehbar gelagert sind. Diese planeten radträgerartigen Nebenwellen 37 sind dabei unmittelbar mit der Kurbelwelle 33, gegebenen falls auch mit einem Teil der auf dieser gehaltenen Schwungmasse 34 verbunden. Die die Ausgleichsmasse 36 bildenden Planetenräder 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 eine der Umdrehung der Kurbelwelle entgegengesetzte Drehbewegung um ihre jeweilige Nebenwelle 37 aus, die wieder in einem konstanten Drehwinkelverhältnis zur Kurbelwellen bewegung 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 Ge häuse feststehend gehaltenen Nebenwelle 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 Über setzung 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 Drehzahlübersetzungsver hältnis zwischen der Nebenwelle 7 und der Kurbelwelle 3 sich aus der Zähnezahl bzw. den Teilkreisradien r₁ und r₂ 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 Antriebs moment 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 Drehwinkelbe schleunigungen der in dem System enthaltenen Schwungmassen hervor. Über die Verzahnung des Zahnradgetriebes 9 sind nun die Schwungmasse 4 der Kurbelwelle 3 mit dem Trägheitsmoment ⊖₁ und die Schwungmasse der Ausgleichsmasse 6 mit dem Trägheitsmoment ⊖₂ verbunden, wobei zwischen den Drehwinkeln dieser Massen folgende Beziehung besteht:

Dabei bezeichnet ϕ₁ den Drehwinkel der auf der Kurbel welle angeordneten Schwungmasse 4 und ϕ₂ den Drehwinkel der auf der Neben welle angeordneten Ausgleichsmasse 6 während r₁ den Teilkreisradius des auf der Kurbelwelle angeordneten Zahnrades und r₂ den Teilkreisradius des auf der Neben welle 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:

Das Momentengleichgewicht für das Gehäuse mit dem Trägheitsmoment ⊖_G und dem Drehwinkel ϕ_G lautet dann:

⊖_G · _G - M_w + M_A = 0.

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

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 Drehzahlübersetzungsverhält nisses zwischen der Ausgleichsmasse und der Kurbelwelle entspricht. Unter diesen Bedingungen erfährt das Maschinengehäuse keine Wechseldrehbeschleunigungen mehr. Die Wechseldrehbeschleunigungen der Maschinenwelle ergeben sich dann zu

Aus der zuletzt angeführten Gleichung folgt nun, daß für ein Übersetzungsverhält nis r₂/r₁ = 1 die Drehbeschleunigung ϕ₁ 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 Massenkräften erzeugten Wechselmomenten um die Längsachse von Hubkolben- Kurbelwellenmaschinen, die jeweils eine in einem feststehen den Maschinengehäuse gelagerte und mit Hubkolben verbundene Kurbelwelle aufweisen, wobei in dem Maschinengehäuse zumin deste eine mit einem konstanten Drehwinkelverhältnis gegen läufig zur Kurbelwelle rotierend angetriebene Ausgleichsmas se gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägheitsmoment der Aus gleichsmasse (6; 16; 20; 36; 46) im wesentlichen dem Träg heitsmoment der auf der Kurbelwelle (3; 13; 33; 43) angeord neten Schwungmassen (2; 12; 32; 42) multipliziert mit dem reziproken Wert des Drehzahlübersetzungsverhältnisses zwischen der Ausgleichsmasse und Kurbelwelle entspricht, wobei die Ausgleichsmasse von der Kurbelwelle über ein eine umfangsspielfreie Drehmomentübertragung bewirkendes Zahnrad getriebe angetrieben ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsmasse durch ein Planetengetriebe antreibbar ist.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Ausgleichsmasse (16; 36) um eine para llel zur Achse der Kurbelwelle (13; 33) angeordnete Nebenwelle (17; 37) drehbar gehalten ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Ausgleichsmasse (20; 36; 46) um die Kurbelwelle (13; 33; 43) drehbar gehalten ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Planetengetriebe mindestens ein Planetenrad (16; 50) auf weist, welches auf einer drehfest im Maschinengehäuse (11; 41) gelagerten Nebenwelle (17; 47) drehbar gehalten ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Planetenrad (16) mit einem starr auf der Kurbelwelle (13) gehaltenen Antriebszahnrad (19) in angetriebener Verbindung steht und das Planetenrad (16) in antreibender Verbindung mit einer als zweite Ausgleichsmasse wirkenden, drehbar auf der Kurbelwelle (13) gelagerten Scheibe (20) steht.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Planetenrad (50) von einem innenverzahnten, starr mit der Kurbelwelle (43) verbundenen Ringrad (49) angetrieben ist und seinerseits in antreibender Verbindung mit der drehbar auf der Kurbelwelle (43) gelagerten Ausgleichsmasse (46) steht.

8. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsmasse (36) aus mindestens zwei Planetenrädern gebildet ist, welche drehbar auf starr mit der Kurbelwelle (33) verbundenen, als Planetenradträger wirkenden Nebenwellen (37) gelagert ist.