DE1070441B

DE1070441B - Einrichtung zum Massenausgleich für Rolbenmaschinen. 5. 1. 5>7. Tschechoslowakei

Info

Publication number: DE1070441B
Application number: DENDAT1070441D
Authority: DE
Inventors: Prag Karel Oktavec und Borivoj Odstrcil
Original assignee: Awm.·. Vyzkwmtny ustav naftovych motoru, Karel Oktavec, Prag und Bofivoj Odstrcil, Prag-Stfesovice
Priority date: 1956-01-09
Publication date: 1959-12-03
Also published as: FR1165221A; GB844071A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Ausgleich von freien Kräften und Momenten (Harmonischer 1. Ordnung), die durch die Massenkraft der hin- und hergehenden Massen des Kurbelmechanismus von Kolbenmaschinen, insbesondere bei Zweitaktmotoren mit einmal gekröpfter Kurbelwelle, verursacht werden.

Es ist bekannt, bei diesen Maschinen außer den rotierenden Massen auch die Hälfte der hin- und hergehenden Massen durch an der Kurbelwelle angebrach Gegengewichte auszugleichen. Der vollkommene Ausgleich der hin- und hergehenden Massen wird bei der einen bekannten Methode durch auf zwei Hilfswellen angebrachte Gegengewichte erzielt. Hierbei ist die Lage der Hilfswellen an eine symmetrische An-Ordnung zur Zylinderachse gebunden, und die Hilfswellen rotieren in entgegengesetzter Richtung zueinander. Bei einer anderen bekannten Methode wird der vollkommene Ausgleich der hin- und hergehenden Massen dadurch erzielt, daß außer den an der Kurbelwelle angebrachten Gegengewichten noch weitere Gegengewichte benutzt werden, die an zwei auf entgegengesetzten Seiten der Kurbelwelle liegenden Hilfswellen angebracht sind, wobei die Hilfswellen- und Kurbelwellenachsen in einer Ebene liegen. Diese ²S Hilfswellen rotieren in derselben Richtung, jedoch entgegengesetzt zur Drehrichtung der Kurbelwelle.

Diese bekannten Einrichtungen zum vollkommenen Massenausgleich haben den Nachteil, daß die vorgeschriebene Anordnung der Hilfswellen, die an ihre Drehrichtung gebunden sind, die Konstruktionsmöglichkeiten erheblich beschränkt und in vielen Fällen bedeutende Schwierigkeiten verursacht. Dies ist besonders dann der Fall, wenn bereits vorhandene Nebenwellen von Hilfsmechanismen des Motors für diese Arbeit heranzuziehen sind, wie z. B. Steuerungswellen, Wellen von Einspritzpumpen und Ladevorrichtungen u. ä. Die Erfindung bezweckt, diese Unzulänglichkeiten zu beheben. Sie geht von den bekannten Einrichtungen aus, bei denen die freien, von den hin- und hergehenden Massen hervorgerufenen Kräfte mit Hilfe von einerseits an der Kurbelwelle und andererseits an zwei Hilfswellen angebrachten Gegengewichten ausgeglichen werden, wobei die Hilfswellen, deren Achsen parallel mit der Kurbelwellenachse, jedoch mit dieser nicht in einer Ebene liegen, mit derselben Winkelgeschwindigkeit wie die Kurbelwelle, jedoch beide in entgegengesetzter Richtung zu dieser rotieren. Das Neue besteht darin, daß die freien Massenkräfte einmal in bekannter Weise durch die Fliehkraft mindestens zweier, entgegengesetzt rotierender Gegengewichte, deren Größe einer Hälfte der hin- und hergehenden Massen entspricht, ausgeglichen werden und daß zum anderen das von ihnen mit den freien Massen-Einrichtung zum Massenausgleich
für Kolbenmaschinen

Anmelder:
Vyzkumny ustav naftovych motoru,

Karel Oktävec, Prag,
und Bofivoj Odstrcil, Prag-Stfesovice

Vertreter: Dipl.-Ing. A. Spreer, Patentanwalt,-Göttingen, Groner Str. 37 '

Beanspruchte Priorität:
Tschechoslowakei vom 9. Januar 1956 '

Karel Oktävec und Borivoj Odstrcil, Prag,
sind als Erfinder genannt worden

kräften des Motors in der Querebene des Motors gebildete Momentenpaar durch das Moment eines auch unsymmetrischen Hilfssystems, das durch die Fliehkräfte zweier in gleicher Richtung rotierender Gegengewichte gebildet ist, ausgeglichen wird. Von den beiden erstgenannten Gegengewichten sitzt das eine in bekannter Weise auf der Kurbelwelle und das andere auf einer Hilfswelle zusammen mit dem einen der beiden letztgenannten Gegengewichte, von denen das zweite auf einer weiteren Hilfswelle angeordnet ist. Je nach den Verhältnissen können auf einer gemeinsamen Welle sitzende Gegengewichte zu einem Gewicht vereinigt werden, andererseits kann aber auch eine Aufteilung der einzelnen Gegengewichte in mehrere kleinere Gewichte erfolgen. Die Lage der Gegengewichte auf den sie tragenden Wellen wird den jeweiligen Verhältnissen angepaßt.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung ist in einigen Ausführungen in der Zeichnung dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine graphische Lösung.des Ausgleichs freien Massenkräften eines Einzylindermotors;

Fig. 2 ist eine schematisch dargestellte Schrägansicht des Ausgleichsorgans erkennbar;

Fig. 3 stellt eine analoge Ausführung des Ausgleichsorgans bei einem Zweitakt-Einzylindermotor dar; in

Fig. 4 ist ein Teil eines Querschnittes und der Kurbel- und Steuerungsmechanismus eines Zweitakt-Einzylindermotors zu sehen;

Fig. 5 ist ein Seitenblick auf die Gegengewichte in der Richtung des Pfeiles P von Fig. 4;

909 687/119

Fig. 6 zeigt einen Blick von oben auf die in Fig. 4, 5 dargestellte Einrichtung, und in

Fig. 7 ist wieder eine schematisch dargestellte Schrägansicht des Ausgleichsorgans sichtbar, welches bei einem Zweizylindermotor mit in einem Winkel von 180° versetzter Kurbelwelle angewendet wird.
• Die Gegengewichte, die einesteils die Wirkung der rotierenden Massen und andererseits die Hälfte der hint und hergehenden Massen ausgleichen, sind beim Einzylindermotor auf den Armen der mit einer Winkelgeschwindigkeit von ω rotierenden Kurbelwelle 0 befestigt. In Fig. 1 ist nur das Gegengewicht aufgezeichnet,, welches der Hälfte der hin- und hergehenden Massen entspricht und dessen durch den Vektor V₀ dargestellte Fliehkraft von einer Größe ist, die durch die Gleichung

bestimmt wird, wo für einen Einzylindermotor die Konstante A₁ durch das Produkt des Gewichtes der hin- und hergehenden Bestandteile und des Halbmessers der Kurbel gegeben ist. Die Kurbelwelle ist in dieser Abbildung in einer um einen Winkel φ von der oberen Totlage versetzten Lage aufgezeichnet. Für den Ausgleich der restlichen Hälfte der freien, von den hin- und hergehenden Massen stammenden Kraft dient das Gegengewicht U₁ von gleicher Größe wie V₀, welches jedoch auf der Hilfswellel angeordnet ist. Diese Hilfswelle muß parallel mit der Kurbelwellenachse verlaufen, sonst kann ihre Anordnung aber beliebig gewählt werden. Die Hilfswelle 1 wird von der Kurbelwelle mittels Zahnrädern K₀, K₁ mit einer Übersetzung von 1 :1 in der der Drehrichtung der Kurbelwelle entgegengesetzten Richtung angetrieben. Die Wirkung dieses Gegengewichtes ist durch den Vektor U₁ gegeben, welcher zur Zylinderachse ebenfalls einen Neigungswinkel von φ hat, jedoch in entgegengesetzter Richtung wie der Vektor V₀. Die Resultierende der Fliehkräfte der Gegengewichte V₀ und U₁ (d. h. der Vektoren V₀ und IZ₁) ist im Gleichgewicht mit der freien Kraft (1. Harmonischen) der hin- und hergehenden Massen, wobei jedoch ihre Wirkung außerhalb der Zylinderachse liegt, so daß sie mit derselben in der Querebene des Motors ein Momentenpaar bildet. Dieses Kippmoment M₁ ist sinusartig nach der Beziehung

sonst beliebig angeordnet werden kann. Die Größe der Vektoren V^ ist durch die Gleichung

A Öl

6)'

,. A J=Tr ω²
M₁ = --OL-

■ sin (φ + ψ)

veränderlich, wo Gl die Entfernung der Wellenachse 0 und 1 darstellt, ψ die Phasenversetzung ist, die durch den Ausdruck

. .'; .■'.'· Ψ = ^arctgy-

gegeben ist, wobei X₁, y₁ Koordinaten der Hilfswellenachse darstellen.

■Zum Ausgleich dieses Kippmomentes wird erfindungsgemäß ein Hilf smomentenpaar der Fliehkräfte zweier weiterer Gegengewichte angewendet, die durch zwei-gleich große Vektoren V_M dargestellt sind, die auf den Arm Ϊ2 wirken, gegenseitig um 180° versetzt .sind .und mit einer Winkelgeschwindigkeit von ω in «iner der Drehrichtung der Kurbelwelle entgegengesetzten. _:Richtung rotieren. Als Wirkungsstelle eines der Vektoren -V_M kann mit Vorteil die Achse der angeführten Welle 1 und für die Wirkungsstelle des ,zweiten Vektors V^-die Achse der zweiten Hilfswelle 2 dienen, die mit. der Kurbelwellenachse parallel, aber ² 12 S

gegeben, wo 12 die Entfernung beider Hilfswellen darstellt. Die Hilfswelle 2 ist von der Kurbelwelle mittels Zahnrädern K₀ und K₂' mit einer Übersetzung 1 :1 angetrieben, so daß sie entgegengesetzt der Drehrichtung der Kurbelwelle rotiert. Die Vektoren V_M wirken in der Weise, daß der von der Verbindungsstelle 12 zum entsprechenden Vektor in der Richtung seiner Rotierung gemessene Winkel ε bei der aufgezeichneten Drehrichtung der Kurbelwelle der Gleichung ε = π + φ + ψ entspricht. Die durch geometrische Addition der Vektoren U₁ und V_M entstandene Resultierende ist durch das Gegengewicht V₁ realisiert, welches auf der Hilfswelle 1 angeordnet ist. Der auf der Hilfswelle 2 wirkende Vektor V_M ist durch das Gegengewicht V₂ verkörpert.

Das Ausgleichssystem besteht daher mindestens aus drei Gegengewichten, wobei das Gegengewicht V₀ direkt an der Kurbelwelle und die Gegengewichte V₁, V₂ an zwei Hilfswellen 1, 2 vorgesehen sind, die mit derselben Geschwindigkeit rotieren wie die Kurbelwelle, jedoch zu dieser in entgegengesetztem Drehsinn. Für diese Hilfswellen können z. B. bestehende Wellen, die zum Antrieb von Hilfseinrichtungen dienen, benutzt werden, d. h. Wellen des Steuerungsmechanismus, des Kompressors, der Einspritzpumpe u. ä. Ein weiterer Vorzug dieses Ausgleichsystems besteht darin, daß die Gegengewichte an den Hilfswellen von kleinen Ausmaßen sind, so daß auch ihre Fliehkräfte und Lagerbeanspruchung niedrig sind.

Die aus Fig. 1 ersichtliche Anordnung aller Gegengewichte in der Ebene X-Y, die senkrecht durch die Zylinderachse zur Kurbelwellenachse führt, ist vom Standpunkt der Konstruktion nur selten möglich. Im Falle eines nicht vollkommenen Ausgleiches, d.h. wenn freie Längsmomente zulässig sind, kann die Anordnung der Gegengewichte nur an einer Seite des Motors vorgenommen werden. Ein vollkommener Ausgleich wird durch die Anordnung derselben an beiden Seiten des Motors erreicht, wie dies für einen Einzylindermotor aus Fig. 2 bis 6 ersichtlich ist.

In Fig. 2 ist ein Ausgleich mittels zweier auf der Kurbelwelle angeordneter Gegengewichte und mittels auf den Hilfswellen an beiden Seiten des Motors angebrachter Gegengewichte V₁, V₁", V₂', V₂" dargestellt. Die an einer gemeinsamen Welle angebrachten Gegengewichte V₁, V₁" oder V₂, V₂" sind gleichgerichtet; für die Bestimmung ihrer Größe gilt die Bedingung, daß ihre resultierende Fliehkraft in der Ebene X-Y zu liegen hat und daß sie mit der Fliehkraft des ursprünglichen Gegengewichtes V₁ oder V₂ des eingangs beschriebenen Falles identisch sein muß. Das an der Kurbelwelle angebrachte Gegengewicht V_K dient zum Ausgleich einer Hälfte der rotierenden und eines Viertels der hin- und hergehenden Massen.

^6υ Eine Vereinfachung der angetriebenen Mechanismen von Hilfseinrichtungen kann dann eintreten, wenn die Hilfswellen in gleicher Entfernung von der Kurbelwelle angeordnet sind, so daß nur drei Zahnräder gleichen Durchmessers anzuwenden sind.

In Fig. 3 ist ein Massenausgleich dargestellt, bei welchem außer den nur auf der Kurbelwelle vorgesehenen Gegengewichten V^ noch drei Gegengewichte V₉. ν_Λ+, Vi⁺⁺ an den Hilfswellen angeordnet sind, wobei zwei Gegengewichte F₁+, V₁ ⁺+ an beiden Seiten der Zylinderachse an der Hilfswelle 1 vorgesehen

sind und nur ein Gegengewicht V₂ an einer Seite des Zylinders an der Welle 2. Dieser Fall kann aus Fig. 2 so abgeleitet werden, daß durch die Vereinigung der Gegengewichte V₂ und V₂" in ein Gegengewicht V₂ ein Moment entsteht, welches durch Hinzufügung des entsprechenden Momentpaares an den Gegengewichten V₁', V₁" beseitigt wird. Dadurch ergibt sich die Größe und Lage der in Fig. 3 aufgezeichneten Gegengewichte V₁ ⁺, V₁++. Die resultierenden Gegengewichte sind gegenseitig verschieden versetzt und haben allgemein auch verschiedene Größen.

Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen die erfindungsgemäße Ausführung des Ausgleiches der hin- und hergehenden Massen bei einem Einzylindermotor im Falle, daß die Achsen der Hilfswellen 1, 2 in einer zur Zylinderachse senkrechten Ebene und in einer gleichen Entfernung von derselben angeordnet sind. Die Kurbelwelle ist mit zwei Gegengewichten F^ zwecks Ausgleichs der rotierenden und der Hälfte der hin- und hergehenden Massen versehen. Von der Kurbelwelle wird die Bewegung durch die Zahnräder K₀, K₁ und K₀, K₂ mit einer Übersetzung 1:1 auf die Hilfswellen 1, 2 übertragen, wobei die Welle 1 zum Antrieb des rotierenden, den Eintritt der Spülluft in das Motorgehäuse bzw. Motorzylinder regulierenden Schiebers 5" dient. Die Welle 1 ist in Lagern L gelagert, und an beiden Seiten sind in gleicher Entfernung von der Zylinderachse die gleich großen Gegengewichte V₁+ und V₁ ⁺+ angeordnet, deren Größe einem Viertel der hin- und hergehenden Massen entspricht. Das Gegengewicht V₁+ ist direkt mit dem Zahnrad K₁, das die Hilfswelle 1 antreibt, verbunden, während das Gegengewicht V₁++ selbständig am Ende der Welle 1 befestigt ist. Die gegenseitige Lage beider Gegengewichte ist aus Fig. 5 zu ersehen, wo die ihnen entsprechenden Fliehkräfte (Vektoren) einen Winkel von 90° schließen, wobei die Fliehkraft des Gegengewichtes V₁ ⁺+ mit der Fliehkraft des Gegengewichtes V_K auf der Kurbelwelle im Augenblick, wenn sich diese in der oberen Totlage befindet, parallel ist und die Fliehkraft des Gegengewichtes V₁+ bei dieser Lage der Welle von der Zylinderachse orientiert ist. Das Gegengewicht V₂ der Hilfswelle 2 ist direkt am Zahnrad K₂ in der Weise ausgeführt, daß sein Schwerpunkt in die Ebene zu liegen kommt, die durch den Schwerpunkt des Gegengewichts V₁+ senkrecht zur Kurbelwellenachse geht. Das Gegengewicht V₂ ist so versetzt, daß, wenn sich die Kurbel in der oberen Totlage befindet, seine Fliehkraft senkrecht auf die Ebene der Wellenachsen 0, 2 wirkt. Die Größe dieses Gegengewichts entspricht einem Viertel der hin- und hergehenden Massen, die im Verhältnis der Entfernung der Hilfswellenachse 2 von der Kurbelwellenachse zur Entfernung der Hilfswellenachse 2 von der Zylinderachse Y zu vergrößern sind.

Das Ende der Hilfswelle 1 ist mit einem Regler versehen, dessen auf der Welle verschiebbare Hülse von den Fliehkräften der Gegengewichte Z, die vorn an dem Antriebsrad K₁ schwingend befestigt sind, gesteuert wird.

Gleicherweise, wie die freie Kraft ausgeglichen wird, ist es möglich, auch das freie Längsmoment (1. Harmonische), welches bei Mehrzylindermotoren durch die freien Kräfte der hin- und hergehenden Massen hervorgerufen wird, auszugleichen. Die Art des Ausgleiches bei einem Reihenmotor mit um 180° versetzten Kurbeln ist in Fig. 7 dargestellt. Das freie Längsmoment wirkt in der Zylinderebene. Mit Hilfe der an der Kurbelwelle angeordneten Gegengewichte Vk wird außer dem von den rotierenden Massen stammenden Moment noch die Hälfte des durch die hin- und hergehenden Massen hervorgerufenen' Momentes ausgeglichen. Mit Hilfe von zwei Gegengewichten von der Größe F₁, die an der Hilfswelle 1 angebracht sind, und weiteren zwei Gegengewichten von der Größe F₂, die an der Hilfswelle 2 vorgesehen sind, wird die zweite Hälfte des Momentes in der Weise ausgeglichen, daß kein Kippmoment in der Querrichtung entsteht. Hierbei sind die Gegengewichte derselben Hilfswelle ίο gegeneinander um 180° versetzt.

Auf die gleiche Weise können auch die freie Kraft und das freie Moment bei Maschinen mit mehreren Zylindern in einer oder mehreren Reihen ausgeglichen werden.

Claims

Patentansprüche.

1. Einrichtung zum Massenausgleich für Kolbenmaschinen, insbesondere für Zweitaktverbrennurigsmotoren, bei der die freien, von den hin- und her-^v gehenden Massen hervorgerufenen Kräfte mit Hilfe von einerseits an der Kurbelwelle und anderseits an zwei Hilfswellen angebrachten Gegengewichten ausgeglichen werden, wobei die Hilfswellen, deren Achsen parallel mit der Kurbelwellenachse, jedoch mit dieser nicht in einer Ebene liegen, mit derselben Winkelgeschwindigkeit wie die Kurbelwelle, jedoch beide in entgegengesetzter Richtung zu dieser rotieren, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Massenkräfte einmal in bekannter Weise durch die Fliehkraft mindestens zweier entgegengesetzt rotierender Gegengewichte (V₀₁U₁), deren Größe einer Hälfte der hin- und hergehenden Massen entspricht, ausgeglichen werden, und daß zum anderen das von ihnen mit den freien Massenkräften des Motors in der Querebene des Motors gebildete Momentenpaar durch das Moment eines auch unsymmetrischen Hilfssystems, das durch die Fliehkräfte zweier in gleicher Richtung rotierender Gegengewichte (V_M) gebildet ist, ausgeglichen wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegengewicht (F₀) in bekannter Weise an der Kurbelwelle (O) sitzt, während das Gegengewicht (U₁) und eines der

Gegengewichte (F _M), die ein Momentenpaar bilden, an der einen Hilfswelle (1) und das zweite der Gegengewichte (V_M) an der anderen Hilfswelle (2) angeordnet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an einer gemeinsamen Hilfswelle (1) sitzenden Gegengewichte (U₁, V_M) zu einem Gegengewicht (F₁) vereint sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ursprünglichen Gegengewichte (F₀, F₁, F₂) in einzelne Teile (V_K, V₁, V₁", V₂', V₂", V₁+, V₁++) aufgeteilt und derart an den Seiten des Zylinders angeordnet sind, daß die resultierende Fliehkraft der entsprechenden Teilgegengewichte mit der Fliehkraft der ursprüngliehen Gegengewichte identisch ist, wobei einige Teile (Vi₁) der Gegengewichte, außer dem Teil der hin- und hergehenden Massen, auch noch die rotierenden Massen des Kurbelmechanismus ausgleichen.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgeteilten Gegengewichte (F₁+, F₁++) der einen Hilfswelle (1) an deren beiden Enden vorgesehen sind, während das Gegengewicht (F₂) der anderen Hilfswelle (2) an deren

'ο einem Ende angebracht ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3 zum Ausgleich von Längsmomenten bei mehrzylindrigen Motoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegengewichte an beiden Enden der Welle (0, I₁ 2) vorgesehen sind, wobei die ein und derselben Welle entsprechenden Gegengewichte gleich groß und gegenseitig um 180° versetzt sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfswellen (1,.2) in der senkrechten Ebene zur Zylinderachse liegen und zu dieser Achse symmetrisch angeordnet sind, wobei die Ebene der Hilfswellen nicht durch die Kurbelwellenachse durchgeht.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß..die Gegengewichte (V₁+, ^₁ ⁺+) der einen Hilfswelle (1) in gleicher Entfernung der "Zylinderachse angeordnet sind und das Gegengewicht (V₂) an der anderen Hilf swelle (2) in der durch das Gegengewicht (V₁ ⁺) senkrecht zur . Kurbelwellenachse durchgehenden Ebene liegt.

9. Einrichtung nach Anspruch 8 für einen Zwei-. takt-Einzylindermotor, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegengewichte (V₁ ⁺, V₁ ⁺+) der einen Welle (1) von gleicher, einem Viertel der Größe . der hin- und hergehenden Massen entsprechender Größe sind, wobei das eine Gegengewicht (V_t ⁺⁺) bei oberer Kurbeltotlage in der Richtung zur unteren Totlage versetzt und das andere Gegengewicht (V₁ ⁺) gegenüber demselben um 90° von der Zylinderachse versetzt ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegengewicht (V₂) an der Hilfswelle (2) einen solchen Neigungswinkel hat, daß seine Fliehkraft bei oberer Kurbeltotlage senkrecht auf die Ebene wirkt, die durch die Achse der Hilfswelle (2) und die Achse der Kurbelwelle gegeben ist, wobei seine Größe einem Viertel der Größe der hin- und hergehenden Massen entspricht, die im Verhältnis der Entfernung der Hilfswellenachse (2) von der Kurbelwellenachse zur Entfernung der Hilfswellenachse (2) von der Zylinderachse vergrößert ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an der Hilfswelle (1) mit den Gegengewichten (V₁ ⁺, V₁ ⁺+) außer einem Schieber ein Regler angebracht ist, welcher durch die Fliehkräfte von an der Stirnseite des Antriebszahnrades (K₁) angebrachten Gegengewichten (Z) gesteuert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
österreichische Patentschrift Nr. 155 742;
französische Patentschrift Nr. 1 106 744;
USA.-Patentschriften Nr. 2 280 384, 2 304 892,
182 988.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen