DE458463C - Welle, besonders Kurbelwelle, mit Schwingungsbekaempfung durch exzentrisch zur Wellenachse gelagerte und in einer Ebene quer zur Welle schwingungsfaehige Reaktionsmasse - Google Patents

Description

Den Gegenstand der Erfindung bildet eine Welle, besonders Kurbelwelle, mit Schwingungsbekämpfung durch exzentrisch zur Wellenachse gelagerte und in einer Ebene quer zur Welle schwingungsfäbige Reaktionsmasse. Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß die Reaktionsmasse durch elastische Mittel mit der Welle verbunden ist. Dadurch wird die Erzielung einer hohen Schwingungsperiode ermöglicht, wie sie z. B. besonders zur Bekämpfung der Torsionsschwingungen bei Automobilmotoren u. dgl. zweckmäßig ist. In den Zeichnungen, welche ein Anwenidungsbeispiel der Erfindung wiedergeben, bedeutet:

Abb. ι die perspektivische Darstellung der ausgeglichenen Kurbelwelle einer sechszylindrigen Fahrzeugmaschine;

Abb. 2 eine Seitenansicht zu Abb. 1 von der Vorder- nach der Hinterseite der Welle aus gesehen, wobei der Vereinfachung der Darstellung wegen die in Abb. 1 vorgesehenen Gegengewichte weggelassen sind;

Abb. 3 die Darstellung einer schwingenden Reaktionsmasse, ihrer Lage mit Bezug auf die Kurbelwellenachse und der Massenlagerung in Richtung der Kurbelwelle gesehen;

Abb. 4 eine Draufsicht zu Abb. 3;

Abb. 5 eine Vorderansicht zu Abb. 3;

Abb. 6 und J Schnitte nach den Linien 6-6 und j-j der Abb. 3.

Die in Abb. 1 und 2 dargestellte Welle ist die Kurbelwelle einer Sechszylindermaschine und an den Enden und zwischen den Enden mit Lagerzapfen A₁ B₁ C versehen. Die Kurbelzapfen sind in zwei Sätzen von je drei Zapfen angeordnet, je ein Satz befindet sich auf je einer Seite des mittleren Lagers, wobei die Zapfen jedes Satzes in der Umfangsrichtung der Kurbelwellenachse unter 120⁰ Winkelabstand stehen und die verlängerten Achsen entsprechender Kurbelzapfen eines Satzes zusammenfallen. Ein Schwungrad D₁ welches eine ausgeglichene Trägheitsmasse darstellt, ist an dem hinteren oder Kraftübertragungsende der Kurbelwelle starr befestigt. Insoweit stimmt die Welle hinsichtlich der Anordnung der Kurbelzapfen und des Schwungrades mit den Wellen sechszylindrischer Verbrennungskraftmaschinen für Motorfahrzeuge überein. In Abb. 1 bezeichnet A die vordere

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Lagerstelle der Kurbelwelle, B die mittlere Lagerstein C die hintere Lagerstelle, D das Schwungrad. Die Kurbelzapfen sind von vorn nach hinten mit Nr. I, Nr. 2, Nr. 3, Nr. 4, Nr. 5, Nr. 6 bezeichnet. Die Achse des Zapfens Nr. ι liegt in der Verlängerung der Achse des. Zapfens Nr. 6, die Achse des Zapfens Nr. 2 in der Verlängerung des Zapfens Nr. 5 und die. Achse des Zapfens Nr. 3 in der Verlängerung des Zapfens Nr. 4. Es ist gebräuchlich, die Massen der Kurbelzapfen und Kurbelwellenarme so zu gestalten und in solchen ReIa₁-tivstellungen anzuordnen, daß die Kurbelwelle statisch ausgeglichen ist. Da die Kurbein und Zapfen mit Bezug auf die Kurbelwellenachse exzentrische Massen sind, welche längs der Kurbelwelle in verschiedenen Querebenen angeordnet sind, so suchen diese exzentrischen Massen zusätzBcli mit dem großen Ende der Kupplungsstangen die Kurbelwelle zu biegen oder an verschiedenen Teilen ihrer Länge seitwärts zu drücken, so daß infolge der Zentrifugalkräfte, die beim Umlauf der Kurbelwelle mit normalen Geschwindigkeiten entwickelt werden, die Lager der Welle schweren Beanspruchungen ausgesetzt werden, wenn nicht die Welle durch Massen ausgewuchtet wird, die so bemessen und angeordnet sind, daß sie durch wesentlich gleiche und entgegengesetzt gerichtete Kräfte den Zentrifugalkräften der verschiedenen Kurbeln und Zapfen und der großen Kuppelstangenenden entgegenwirken. Die in Abb. 1 dargestellte Kurbelwelle ist durch die Anordnung der Massen der Kurbelarme und durch zusätzliche Gegengewichte E, F, G, H ausgeglichen und entspricht insoweit völlig der herkömmlichen Praxis.

Das neue und eigenartige Merkmal einer gemäß vorliegender Erfindung beschaffenen Kurbelwelle besteht in einer Masse, die in der Zeichnung mit 10 bezeichnet ist und nachstehend als Reaktionsmasse oder Reaktionsstange bezeichnet werden möge. Dieser Masse obliegt es, der Torsionsverlagerung oder den Torsionsschwingungen 'entgegenzuwirken, die in Wellen auftreten, welche durch intermittierend einwirkende Kräfte gedreht werden, sofern diese Kräfte mit den natürlichen Schwingungen der als Torsionspendel betrachteten Welle synchron oder im Schritt sind. Die Reaktionsmasse oder Stange ι ο kann in einer Querebene der Welle schwingen. Bei der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsform ist sie zwischen ihnen Enden, vom Schwungrad abgelegen auf einem der Kurbelarme, z. B. dem Kurbelarm χ ζ, durch einen. Stift oder einen Zapfen gelagert, dessen Achse parallel zur Kurbelwellenachse, aber in seitlichem Abstand von dieser, angeordnet ist. Die so drehbar gelagerte Masse j ist auf ihrem Drehzapfen ausgeglichen, indem sie zu beiden Seiten einer Ebene gleich verteilt ist, in welcher die Achsen der Welle und des Drehzapfens liegen. Steife, hochnachgiebige und schnell wirkende Federn· ! sitzen zwischen der Reaktionsstange 10 und dem Kurbelarm. Wenn die Reaktionsstange angebracht ist, ist der Kurbelarm im statischen Gleichgewicht, auch stört die Anwesenheit der Reaktionsstange nicht den dynamischen Ausgleich der Welle durch die Verteil lung der Kurbelmassen und Gegengewichte. Es ist nicht wesentlich für die wirkungsvolle Arbeit der Stange 10, daß sie, wie beschrieben, gelagert wird, obgleich diese Art der Verbindung bevorzugt wird. Die Stange kann auf verschiedene Weise gelagert werden, solange sie schwingen oder quer zur Welle hin und her gehen kann und steife und lebendige Federn der Relativität der Bewegung entgegenwirken. Bei der gewöhnlichen Ausführung der Kurbelwelle einer sechszylindrigen Fahrzeugmaschine ohne Reaktionsstangen ι ο würde der Kurbelarm 15 am vorderen WeI-lenende, auf dem die Reaktions stange gelagert ist, so ausgebildet werden, daß seine Masse gleich ist der Masse des entsprechenden Kurbelarmes 16 in der Nähe des hinteren Wellenendes und daß diese Masse auch gleich verteilt ist. Eine zur Aufnahme der Reaktionsstange 10 eingerichtete Kurbelwelle besitzt also einen Kurbelarm 15, der etwas anders beschaffen ist als der Kurbelarm 16 und dessen Masse so angeordnet ist, daß sie zusammen^ mit so viel von der Reaktionsstange 10, als mit Bezug auf die Kurbelwelle exzentrisch und nicht durch andere Teile seiner Masse ausgeglichen ist, in der Ausgleichswirkung auf den Kurbelarm 16 gleich ist. Eine Kurbelwelle, bei welcher, wie dargestellt, die Reaktionsstange 10 angebracht ist, ist also wesentlich ausgeglichen, und der Hauptteil der dargestellten Kurbelwelle mit angebrachten Gegengewichten und Schwungrad soll so beschaffen sein, daß er ausgeglichen ist, wenn die Reaktionsstange 10 angebracht ist.

Der Kurbelarm 15, an welchem das Reaktioiisgewicht 10 angebracht wird, kann beliebige Gestalt besitzen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Seite oder Fläche 17 eben. An die Ebene 17 ist ein Lager 18 durch Bolzen 19 angeschraubt, die durch Löcher des Kurbelarmes hindurchgehen, in Gewindelöcher des Lagerarmes eingeschraubt sind und dadurch das Lager fest an der Kurbel halten. Die Bolzen 19 können durch irgendwelche Mittel gegen unbeabsichtigtes Lösen gesichert werden, z. B. einen Draht 20, der durch kleine Löcher der Bolzenköpfe hindurchgeht und bei 21 mit den Enden zusammengedreht ist-

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Die Flächen 22 an den Enden des Lagers 18 können mit Quersitzen 23 zur Aufnahme von Sätteln 24 versehen werden, welche Federanschläge bilden. Zwischen den Sätteln 24 ist das Lager 18 mit einem relativ dünnen Scharnierteil 25 versehen, der von dem Hauptteil des Lagers nach oben verläuft und auf entgegengesetzten Flächen, beispielsweise mittels eines Stirnfräsers, so abgefräst ist, daß beiderseits gebogene Bodenwände 25" gebildet werden, von denen der Scharnierteil 25 abgeht. Die Reaktionsstange 10 kann eine relativ kleine Masse besitzen. Sie kann eine gerade Außenkante 26 besitzen und an der Aulienkante schwächer sein als an den übrigen Teilen. Die Form oder Gestalt ist im wesentlichen derart, daß von der Außenkante oder den Seiten Material mittels einer auf Massenherstellung abgestellten Bearbeitung abgehobelt oder abgefräst werden kann. Die Enden 27 der Stange 10 sind so ausgebildet, daß sie 'die Achse 13 der Kurbelwelle symmetrisch überhängen, sofern man eine größere Masse der Stange notwendig oder wiinsehenswert erachtet als die Masse, welche den Ausgleich der Kurbel 15 und der Stange ι ο mit der Kurbel 16 hervorbringt. Da diese überhängenden Enden 27 beiderseits gleich groß und mit Bezug auf die Kurbelwellenachse 13 symmetrisch angeordnet sind, beeinträchtigen sie nicht den Ausgleich der Kurbelwelle.* Um die Anbringung der Stange 10 an dem Scharnierteil 25 des Lagers 18 zu ermöglichen, ist in die Reaktionsstange 10 eine Nut 28 eingefräst, welche den Scharnierteil 25 satt übergreift. Die die Nut 28 begrenzenden Seitenwände 29 vermitteln die Befestigung der Reaktionsstange 10 an dem Scharnierteil 25; sie besitzen parallele gebogene Seiten, welche bis in die Nähe der gebogenen Bodenwände 25" des Lagers 18 reichen. Der Drehzapfen 11 besitzt einen Kopf 30 und am Ende eine Bohrung zur Aufnahme eines Splintes oder Vorsteckers 31. Eine Scheibe 32 kann zwischen den Vorstecker und die benachbarte Fläche des Scharnierteiles 29 der Reaktionsstange 10 eingeschaltet werden. Die Reaktionsstange kann also in begrenztem Maß um die Achse 12 vibrieren oder schwingen, und wenn die Reaktiansmasse auf der Kurbelwelle gedreht wird, muß sich diese Drehung mit dem geringsten Maß von Reibung vollziehen können.

Auf jeder Seite des Drehzapfens 12 besitzt die Reaktionsstange 10 je eine rechteckige Ausnehmung 33 zur Aufnahme der starken, schnell wirkenden Federn 14, die zwischen der Stange ι ο und der Kurbel 15 der Kurbelwelle sitzen. Jede Feder 14 kann aus mehreren flachen Blättern aus Federstahl oder Honstigen hochnachgiebigen Streifen bestehen, deren Enden in flachen Schalen 34 untergebracht sind. Jeder Federanschlag 24 besitzt vorzugsweise zwei Glieder 3 S, welche das Lager 18 seitlich umfassen. Die Federanschläge 24 sitzen satt in den Sitzen 23. Jeder Anschlag 24 besitzt ferner eine rechtwinklige Ausnehmung, welche die Federn 14 aufnimmt und umfaßt, so daß eine Querbewegung der Federblätter verhindert wird. Der Boden jeder Ausnehmung ist bei 36 gerundet (Abb. 3).

Wenn die Federn und Federanschläge mit der Reaktionsstange 10 auf der Kurbelwelle befestigt werden, legt sich die mittlere Flachseite jeder Federeinheit auf den gerundeten Sitz 36; die Enden werden von den Flanschen der Schalen 34 in den Ausnehmungen 33 der Stange 10 umfaßt. Die Flansche der Schalen 34 halten die Federeinheit von der Bodenwand der Ausnehmung 33 um die Stärke des Flansches entfernt, die etwa der Stärke eines Federblattes entspricht. Die Federeinheiten besitzen so Raum zur Abbiegung für den Fall, daß die Stange 10 Kräften ausgesetzt wird, welche die Elastizität der Federn zu überwinden vermögen. Die einzelnen Federblätter können sich nach dem Einbau nicht seitlich gegeneinander bewegen, weil die Federschalen 34 diese Bewegung verhindern, während der Federanschlag 24 eine Seitenbewegung mit Bezug auf das Lager 18 verhindert. Die vereinigten Elemente bewahren ihre Lage ohne Schrauben oder sonstige Be^ festigungsmittel, welche schwer zu lösen sind und sich womöglich infolge der Schwingung losmachen. Der Zapfen 11 hält das Lager i8, die Reaktionsstange 1 o, die Federn und die Federanschläge zusammen, so daß sie sich nicht lösen können.

Die Federn 14 müssen stark, steif und hoch.-nachgiebig sein, so daß sie schnell und energisch reagieren. Die Masse der Reaktionsstange 10 und die Steifheit und Nachgiebigkeit der Federn 14 sind so bemessen, daß die Stange, wenn sie durch eine Verdrehbewegung der Welle in eine solche Bewegung gesetzt wird, wie sie auftritt, wenn die Kolbendrucke mit den natürlichen Wellenschwingungen in Schritt kommen, mit solcher Frequenz schwingt, daß diese mit den vermehrten Wellenschwingungen interferiert, vorzugsweise in genau entgegengesetzter Richtung, so daß die harmonischen Beziehungen zwischen den natürlichen Schwingungen der Welle und den periodischen Schubkräften der Kolben- und Verbindungsstangen, die die übermäßigen Schwingungen verursachten, zerstört werden.

Wenn die Kurbelwelle mit anderen als den kritischen Geschwindigkeiten, also mit anderen als den Geschwindigkeiten umläuft, bei denen die der Welle durch die intermittierenden Impulse der Kolben- und Kuppelstangen

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erteilten Umdrehungen außer Phase oder nicht in harmonischer Beziehung mit dein Schwingungen der Welle entsprechend ihrer natürlichen Frequenz sind, besitzen die Schwingungen eine so kleine Amplitude, daß sie vernachlässigt werden können. Wenn die Welle eine solche Geschwindigkeit erreicht, daß die intermittierenden Impulse der Kolben- und Kuppelstangen mit den in normalem Maß

ίο auftretenden Wellenvibrationen in Phase sind und harmonisieren, nimmt die Amplitude der Vibrationen stark zu. Sobald die Vibrationen von relativ großer Amplitude beginnen, erzeugen sie Vibrationen in der Reaktioins stange.

Durch die erste übermäßige Verdrehung der ■ Kurbelwelle in der einen. Richtung wird bewirkt, daß ein Federanschlag 24 heftig gegen eine der Federeinheiten 14 drückt. Dieser Impuls erteilt der Stange 10 ,eine solche Bewegung, daß die andere Federeinheit auf den anderen Anschlag 24 drückt und abgebogen wird. Die heftige Reaktion der letztgenannten Feder bewirkt, daß die Reaktionsstange in der entgegengesetzten Richtung schwingt und die ersterwähnte Feder scharf auf den Anschlag drückt usw. Die Stange 10 ist so bemessen und beschaffen, daß ihre Schwingungen mit Bezug auf die der Welle in solchem Maße nachlaufen, daß sie außer Phase mit der Kurbelwelle schwingt und so den ' Schwingungen der Kurbelwelle entgegenarbeitet, indem sie interferierende Schwingungen auf die Kurbelwelle gibt. Das Nachlaufen oder die 'Schwingungsverzögerung der Stange 10 ist vorzugsweise derart, daß ihre induzierten Vibrationen oder Oszillationen zu denjenigen der Kurbelwelle in entgegengesetzter Phasenbeziehung verlaufen. Die bisher gewonnenen Erfahrungen" haben gezeigt, daß die Stange 10, wenn sie um eine zur Kurbelwellenachse parallele, aber seitlich verschobene Achse schwingt, empfindlicher auf die Wellenoszillationen anspricht, als wenn sie um eine Achse schwingt, welche mit der Kurbelwellenachse zusammenfällt, oder wenn sie in einer zur Kurbelwelle schrägen Ebene schwingt. Aus diesem Grunde wird zur Zeit vorgezogen, die Reaktionsstange auf einem Drehzapfen zu lagern, dessen Achse etwas seitlich von der WeUenachse liegt. Ausgezeichnete Ergebnisse sind indessen, mit Reaktionsmassen erreicht worden, die auf einer mit der Welle zusammenfallenden Achse gelagert sind.

Es versteht sich, daß die. vorliegenden Darlegungen nur der Erläuterung der Erfindung dienen und durch die Darstellung und Beschreibung einer einzigen Ausführungsform irgendeine Einschränkung des Schutzumfanges nicht zum Ausdruck gebracht werden soll.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Welle, besonders Kurbelwelle, mit. Schwingungsbekämpfung durch [exzentrisch zur Wellenachse gelagerte und in einer Ebene quer zur Welle schwingungsfähige Reaktionsmasse, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsmasse durch elastische Mittel mit der Welle verbunden ist.

2. Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsmasse an einem der Kurbelarme der Welle angebracht ist.

3. Kurbelwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsmasse an der Welle so angelenkt ist, daß ihr Gewicht symmetrisch beiderseits des Zapfens der Masse verteilt ist, und daß die Federung zwischen Welle und Masse beiderseits des Zapfens eingeschaltet ist.

4. Kurbelwelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federung aus mehreren zusammengebauten Blättern besteht und sich auf eine Stütze zwischen den Enden der Feder stützt.

5. Kurbelwelle nach Anspruch 1 und 2, bei der ein Schwungrad befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsmasse an der Welle an einem solchen Punkte angreift, daß eine oder mehrere Kurbeln zwischen der Reaktionsmasse und dem Schwungrade liegen.

6. Kurbelwelle nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsmasse zwischen ihren Enden an den Kurbelarm derart angelenkt ist, daß die Achse des Gelenkzapfens parallel zur Wellenachse liegt, und daß die Masse die Form einer Schiene hat, deren Enden wesentlich gleiches Gewicht in symmetrischer Verteilung zum Zapfen haben.

7. Kurbelwelle nach Anspruch 1 bis 6 mit aus federndem Werkstoff bestehender Welle mit mehreren Kurbeln und Kurbelzapfen, die paarweise so angeordnet sind, daß die beiden Kurbelzapfen eines entsprechenden Paares eine gemeinsame Achsenlinie haben, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Anbringen der Reaktionsmasse auf dem Arm der einen Kurbel des Paares entstehende Exzentrizität der Gesamtmasse durch entsprechende Ausgestaltung eines Armes der anderen Kurbel des betreffenden Paares aufgehoben ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.