DE9407145U1

DE9407145U1 - Reciprocating machine with mass balance

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Publication number: DE9407145U1
Application number: DE9407145U
Authority: DE
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 1994-04-29
Filing date: 1994-04-29
Publication date: 1995-08-24
Anticipated expiration: 2004-04-30

Description

Bezeichnung: Hubkolbenmaschine mit Massenausgleich Beschreibung:Designation: Reciprocating piston machine with mass balance Description:

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere einen Verbrennungsmotor, mit wenigstens einem Zylinder, in dem ein mit einer Kurbelwelle in Verbindung stehender Kolben hin- und herbewegbar geführt ist.The invention relates to a reciprocating piston machine, in particular an internal combustion engine, with at least one cylinder, in which a piston connected to a crankshaft is guided so as to be movable back and forth.

Bei Hubkolbenmaschinen der vorstehend bezeichneten Art werden Zusatzaggregate der unterschiedlichsten Art, so beispielsweise auch die Bewegung von Ausgleichsmassen, die im Sinne der vorliegenden Erfindung ebenfalls als Zusatzaggregat gelten, unmittelbar über die Kurbelwelle, ggf. unter Zwischenschaltung von kinematisch formschlüssigen Verbindungen angetrieben. Ausgleichsmassen für den Ausgleich von freien Massenkräften einer derartigen Hubkolbenmaschine werden hierbei in Form von umlaufenden Unwuchtgewichten vorgesehen, die je nach Anwendungsfall auch in mit der Kurbelwelle in Verbindung stehenden Zahnrädern zum Antrieb von Nebenaggregaten und/oder Zusatzaggregaten vorgesehen sind.In reciprocating piston machines of the type described above, additional units of the most varied types, such as the movement of balancing masses, which are also considered additional units in the sense of the present invention, are driven directly via the crankshaft, possibly with the interposition of kinematically positive connections. Balancing masses for balancing the free mass forces of such a reciprocating piston machine are provided in the form of rotating unbalance weights, which, depending on the application, are also provided in gears connected to the crankshaft for driving auxiliary units and/or additional units.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Hubkolbenmaschine der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, bei der derartige Zusatzaggregate auch innerhalb des Maschinenkörpers angeordnet werden können, zumindest der Abgriff für die Betätigung mit kinematisch formschlüssigen Verbindungen innerhalb des Maschinenkörpers erfolgen kann. 30The invention is based on the object of creating a reciprocating piston machine of the type described at the beginning, in which such additional units can also be arranged within the machine body, at least the tap for the actuation can be made with kinematically positive connections within the machine body. 30

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Kurbelwelle mit wenigstens einer, eine Steuerkontur aufweisenden mitdrehenden Kurvenscheibe verbunden ist, die als Betätigungsmittel auf wenigstens ein Zusatzaggregat einwirkt. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß derartige Kurvenscheiben auch innerhalb des Motorgehäuses im Bereich des Kurbelwellenraumes untergebracht werden können und zwar dadurch, daß eine Kurvenscheibe mit einer auf denThis object is achieved according to the invention in that the crankshaft is connected to at least one rotating cam disk having a control contour, which acts as an actuating means on at least one additional unit. This arrangement has the advantage that such cam disks can also be accommodated within the engine housing in the area of the crankshaft space, namely in that a cam disk with a control contour on the

jeweiligen Einsatzfall abgestimmten Steuerkontur unmittelbar mit der Kurbelwelle verbunden werden kann. Die Kurvenscheibe kann bei entsprechenden Anwendungsfällen selbstverständlich auch auf der Außenseite des Maschinenkörpers mit der Kurbelwelle verbunden werden. Die erforderliche Kraft- und/oder Bewegungswirkung, die für die Betätigung des oder der Zusatzaggregate benötigt wird, kann unmittelbar von der Steuerkontur abgegriffen werden. Dies ist auch in der Weise möglich, daß die Kurvenscheibe mit ihrer Steuerkontur innerhalb des Motorgehäuses angeordnet ist, wohingegen das Zusatzaggregat außerhalb des Maschinengehäuses angeordnet ist, wobei dann entsprechende übertragungsmittel zwischen der Kurvenscheibe und dem Zusatzaggregat vorgesehen sind, die durch die Wandung des Maschinengehäuses hindurchgeführt sind.The cam disk can be connected directly to the crankshaft using a control contour that is tailored to the respective application. The cam disk can of course also be connected to the crankshaft on the outside of the machine body in appropriate applications. The required force and/or movement effect that is needed to operate the additional unit(s) can be taken directly from the control contour. This is also possible in such a way that the cam disk with its control contour is arranged inside the motor housing, whereas the additional unit is arranged outside the machine housing, whereby appropriate transmission means are then provided between the cam disk and the additional unit, which are guided through the wall of the machine housing.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß als Zusatzaggregat wenigstens eine Ausgleichsmasse vorgesehen ist, die an der Hubkolbenmaschine in Abhängigkeit von der Kurbelwellendrehung hin- und herbewegbar geführt ist und die mit einer Federanordnung in Verbindung steht. Mit Hilfe einer derartigen hin- und herbewegbar geführten Masse ist es möglich, entweder oszillierende Massenkräfte, die durch die Pleuel und den Kolben verursacht werden, unmittelbar am Ort des Entstehens auszugleichen, beispielsweise dadurch, daß eine derartige Kurvenscheibe unmittelbar an der Kurbel angeordnet ist und die zugehörige Ausgleichsmasse in gleicher Wirkungsrichtung, jedoch mit entgegengesetztem Bewegungsablauf in der Hubkolbenmaschine vorzusehen. Die Ausgleichsmasse kann in einer rein tränslatorischen Bewegung oder auch in einer Schwenkbewegung geführt werden. Insbesondere bei mehrzylindrigen Reihenhubkolbenmaschinen ist es dann möglich, noch innerhalb des Motorengehäuses derartige Ausgleichsmassen jeweils im Bereich der Kurbelwellenenden vorzusehen, um so die freien Massenmomente erster und höherer Ordnung durch eine entsprechende Bemessung des Ausgleichsmassenpaares auszugleichen. Dadurch, daß die Ausgleichsmassen möglichstIn a particularly advantageous embodiment of the invention, at least one balancing mass is provided as an additional unit, which is guided to move back and forth on the reciprocating piston engine depending on the crankshaft rotation and which is connected to a spring arrangement. With the help of such a reciprocating mass, it is possible to either balance oscillating mass forces caused by the connecting rod and the piston directly at the point of origin, for example by arranging such a cam disk directly on the crank and providing the associated balancing mass in the same direction of action, but with an opposite movement sequence in the reciprocating piston engine. The balancing mass can be guided in a purely translational movement or also in a pivoting movement. Particularly in the case of multi-cylinder in-line piston engines, it is then possible to provide such balancing masses within the engine housing in the area of the crankshaft ends in order to balance the free mass moments of the first and higher order by appropriately dimensioning the balancing mass pair. By making the balancing masses as

dicht an den Kurbelwellenenden angeordnet sind, können die Ausgleichsmassen insgesamt verhältnismäßig klein gehalten werden. Der weitere Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung besteht darin, daß das Bewegungsgesetz der Ausgleichsmassen über die Steuerkontur der Kurvenscheibe vorgegeben werden kann. In der einfachsten Ausführungsform kann die Kurvenscheibe eine Kreiskontur aufweisen und mit ihrem Kreismittelpunkt exzentrisch zur Drehachse der Kurbelwelle mit dieser verbunden sein, wobei sich die Exzentrizität auf der bei einem Einzylindermotor auf der der Kurbelkröpfung abgekehrten Seite befindet. Bei einem Mehrzylindermotor, beispielsweise bei einem Reihenmotor mit einem Ausgleich der freien Massenmomente durch ein Ausgleichsmassenpaar, ist die Exzentrizität so vorzusehen, daß das durch die Ausgleichsmassen bewirkte Massenmoment dem Massenmoment der oszillierenden Triebwerksteile entgegengerichtet wirkt. Um die erforderliche Rückholbewegung bewirken zu können, wird anstelle einer aufwendigen mechanischen Ankoppelung die Koppelung über eine Federanordnung vorgesehen, so daß über die Steuerkontur die Masse in die eine Bewegungsrichtung bewegt wird und über die Federanordnung in die entgegengesetzte Bewegungsrichtung zurückgeführt wird. Das System muß so ausgelegt werden, daß Resonanzen praktisch vermieden werden. Anstelle einer Federanordnung als bevorzugte Ankoppelung zur Aufrechterhaltung eines ständigen Kontaktes zwischen Steuerkontur und Zusatzaggregat - hier der Ausgleichsmasse - können auch andere, gleichwirkende Elemente eingesetzt werden. Die Anordnung kann auch so ausgebildet werden, daß bei Uberschreitung einer vorgebbaren Drehzahl die Ausgleichsmassen arretiert und/oder der Eingriff mit der Steuerkontur aufgehoben wird.are arranged close to the crankshaft ends, the balancing masses can be kept relatively small overall. The further advantage of the design according to the invention is that the law of motion of the balancing masses can be specified via the control contour of the cam disk. In the simplest embodiment, the cam disk can have a circular contour and be connected to the crankshaft with its circle center eccentrically to the axis of rotation of the crankshaft, with the eccentricity being on the side facing away from the crank throw in a single-cylinder engine. In a multi-cylinder engine, for example in an in-line engine with compensation of the free mass moments by a pair of balancing masses, the eccentricity is to be provided in such a way that the mass moment caused by the balancing masses acts in the opposite direction to the mass moment of the oscillating engine parts. In order to be able to effect the required return movement, the coupling is provided via a spring arrangement instead of a complex mechanical coupling, so that the mass is moved in one direction of movement via the control contour and returned in the opposite direction of movement via the spring arrangement. The system must be designed in such a way that resonances are practically avoided. Instead of a spring arrangement as the preferred coupling to maintain constant contact between the control contour and the additional unit - here the balancing mass - other elements with the same effect can also be used. The arrangement can also be designed in such a way that when a predefined speed is exceeded, the balancing masses are locked and/or the engagement with the control contour is canceled.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung in Verbindung mit Ausgleichmassen als Zusatzaggregat besteht darin, daß es in raumsparender Weise möglich ist, bei entsprechender Ausgestaltung der Steuerkontur auch freie Massenmomente und Massenkräfte höherer Anordnung über derartige zusatzIi-A further advantage of the invention in connection with balancing masses as an additional unit is that it is possible in a space-saving manner, with appropriate design of the control contour, to also control free mass moments and mass forces of a higher order via such additional

ehe Ausgleichsmassen auszugleichen, wobei diese zusätzlichen Ausgleichsmassen praktisch in der gleichen Drehebene wie die Ausgleichsmassen zum Ausgleich der freien Momente erster Ordnung angeordnet werden können. Auch hier kann die Bewegung dieser Ausgleichsmassen unmittelbar über die Kurvenscheibe von der Kurbelwelle abgegriffen werden. Anders, als bei einer umlaufenden Unwucht, ist es dementsprechend in vorteilhafter Weise möglich, die Bewegungsrichtung der hin- und herbewegbaren Ausgleichsmasse auf die Wirkrichtung der auszugleichenden Massenkräfte und/oder Massenmomente abzustimmen, so daß sich hier definierbare oszillierende Kräfte und/oder Momente bewirken lassen.to compensate for balancing masses, whereby these additional balancing masses can be arranged practically in the same plane of rotation as the balancing masses to compensate for the free moments of the first order. Here too, the movement of these balancing masses can be picked up directly from the crankshaft via the cam disk. Unlike with a rotating imbalance, it is therefore advantageously possible to adjust the direction of movement of the balancing mass that can be moved back and forth to the direction of action of the mass forces and/or mass moments to be compensated, so that definable oscillating forces and/or moments can be achieved here.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Verlauf der Steuerkontur stetig ist. Hierdurch werden Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungssprünge in der Übertragung auf die Ausgleichsmasse vermieden.In a practical embodiment of the invention, the course of the control contour is continuous. This avoids jumps in speed and/or acceleration in the transmission to the balancing mass.

In zweckmäßiger weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Federanordnung eine progressive Kennlinie aufweist. Durch eine derartige Auslegung der Federanordnung ergibt sich eine einfachere Unterdrückung der Resonanz im Betriebsbereich. Zweckmäßig ist es hierbei, wenn die Federanordnung unter Vorspannung mit der Ausgleichsmasse verbunden ist, so daß ein Abheben der Ausgleichsmasse von der Steuerkontur mit Sicherheit vermieden ist. Zweckmäßig ist es, wenn die Federanordnung mit Stellmitteln zur Veränderung der Vorspannung in Verbindung steht, so daß auf die Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems Einfluß genommen werden kann, beispielsweise in Abhängigkeit von der Drehzahl.'In a further advantageous embodiment of the invention, the spring arrangement has a progressive characteristic curve. This design of the spring arrangement makes it easier to suppress resonance in the operating range. It is advantageous if the spring arrangement is connected to the balancing mass under pre-tension, so that lifting of the balancing mass from the control contour is reliably avoided. It is advantageous if the spring arrangement is connected to adjusting means for changing the pre-tension, so that the natural frequency of the spring-mass system can be influenced, for example depending on the speed.'

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zwischen der Steuerkontur und der Ausgleichsmasse ein Rollelement angeordnet ist, um eine Gleitreibung zwischen Ausgleichsmasse und Steuerkontur zu vermeiden.In a further embodiment of the invention, it is provided that a rolling element is arranged between the control contour and the balancing mass in order to avoid sliding friction between the balancing mass and the control contour.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ausgleichsmasse über Führungsmittel mit der Hubkolbenmaschine verbunden ist. Durch die Anordnung derartiger Führungsmittel werden die gegebenen Kippmöglichkeiten einer Federanordnung ausgeschlossen, so daß hier eine präzise richtungsstabile Führung der Ausgleichsmasse möglich ist. Die Führungsmittel können durch Gleitbahnen, Schlepp- oder Kipphebel gebildet werden. Insbesondere bei der Verwendung von Hebeln als Führungsmittel besteht in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, die Federanordnung als Torsionsfeder auszubilden. Die Torsionsfeder wird hierbei im Bereich der Anlenkung des Hebels mit diesem verbunden, dessen anderes Ende an der Steuerkontur anliegt. Der Hebel kann hierbei als Übertragungsmittel ausgebildet sein, daß auf eine Masse einwirkt. Besonders zweckmäßig ist es jedoch, wenn der Hebel selbst die Ausgleichsmasse bildet.In a further embodiment of the invention, it is provided that the balancing mass is connected to the reciprocating piston machine via guide means. The arrangement of such guide means eliminates the tipping possibilities of a spring arrangement, so that precise, directionally stable guidance of the balancing mass is possible. The guide means can be formed by slideways, drag or tilt levers. In particular, when levers are used as guide means, it is advantageous to design the spring arrangement as a torsion spring. The torsion spring is connected to the lever in the area of the linkage, the other end of which rests on the control contour. The lever can be designed as a transmission means that acts on a mass. However, it is particularly useful if the lever itself forms the balancing mass.

Bei der Verwendung einer Torsionsfeder ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß wenigstens zwei Torsionsfedern für eine Federanordnung vorgesehen sind, wobei wenigstens eine Torsionsfeder rohrförmig ausgebildet und die andere Torsionsfeder koaxial in der rohrförmigen Torsionsfeder angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, bei vorgegebener Federcharakteristik eine kurzbauende Trosionsfederanordnung zu schaffen. Eine derartige Torsionsfederanordnung kann raumsparend auch im Bereich unterhalb der Kurbelwelle in der ölwanne verlaufen, wobei der weitere Vorteil darin besteht, daß durch das die Torsidnsfeder umgebende öl keine nennenswerte Verdrängungsarbeit aufgenommen wird.When using a torsion spring, an advantageous embodiment of the invention provides that at least two torsion springs are provided for a spring arrangement, with at least one torsion spring being tubular and the other torsion spring being arranged coaxially in the tubular torsion spring. This makes it possible to create a short torsion spring arrangement with a given spring characteristic. Such a torsion spring arrangement can also run in the area below the crankshaft in the oil pan to save space, with the further advantage being that no significant displacement work is absorbed by the oil surrounding the torsion spring.

In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung sind bei einem Mehrzylinder-Reihenmotor zwei parallel zu beiden Seiten der Kurbelwelle verlaufende Torsionsfederanordnungen vorgesehen, wobei die Torsionsfederanordnungen jeweils an gegenoberliegenden Endseiten des Motors gelagert sind und wobei mit jeder Torsionsfederanordnung eine Ausgleichmasse verbun-In a further advantageous embodiment, two torsion spring arrangements running parallel to both sides of the crankshaft are provided in a multi-cylinder in-line engine, with the torsion spring arrangements each being mounted on opposite end sides of the engine and with a balancing mass connected to each torsion spring arrangement.

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den ist, die schwenkarmartig ausgebildet und mit ihrer Haupterstreckung senkrecht zur Achse der zugehörigen Torsionsfederanordnung ausgerichtet ist. Bei dieser Anordnung besteht die Möglichkeit, durch eine entsprechende Wahl der Abstände zwischen der durch die Torsionsfederachse vorgegebenen Schwenkachse, dem Angriffspunkt der Steuerkontur und dem Massenschwerpunkt das hierdurch gegebene Feder-Masse-System hinsichtlich seiner Kinematik und seiner Dynamik optimal auf die auszugleichenden Massenmomente abzustimmen.which is designed like a swivel arm and is aligned with its main extension perpendicular to the axis of the associated torsion spring arrangement. With this arrangement, it is possible to optimally adjust the kinematics and dynamics of the resulting spring-mass system to the mass moments to be compensated by selecting the appropriate distances between the swivel axis specified by the torsion spring axis, the point of application of the control contour and the center of gravity.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist hierbei ferner vorgesehen, daß die schwenkarmartige Ausgleichsmasse im Bereich ihres freien Endes eine Ausnehmung aufweist, die die andere Torsionsfederanordnung umgreift. Hierdurch ist eine Möglichkeit gegeben, den Schwerpunkt der Ausgleichsmasse in möglichst großem Abstand zur Drehstabachse anzuordnen, um bei relativ kleiner Federtordierung einen möglichst großen Schwerpunkthub der Ausgleichsmasse zu realisieren.In an advantageous embodiment of the invention, it is further provided that the swivel arm-like balancing mass has a recess in the area of its free end, which encompasses the other torsion spring arrangement. This provides a possibility of arranging the center of gravity of the balancing mass as far away from the torsion bar axis as possible, in order to achieve the greatest possible center of gravity stroke of the balancing mass with a relatively small spring twist.

Durch diese Maßnahme kann die Ausgleichsmasse deutlich im Gewicht reduziert werden.This measure allows the weight of the balancing mass to be significantly reduced.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ausgleichsmasse mit wenigstens einem weiteren Zusatzaggregat in Wirkverbindung steht. Hierbei ist es besonders zweckmäßig, wenn die weiteren Zusatzaggregate mit den als Schlepp- oder Kipphebel ausgebildeten Führungsmittel in Verbindung stehen. Hierbei besteht dann die Möglichkeit, die Kinematik der Ausgleichsmassen zum Abdecken von Selbstfunktionen in der Hubkolbenmaschine, z. B. für die Schmierölversorgung oder für die Druckluftversorgung von Zusatzgeräten abzudecken.In a further embodiment of the invention, it is provided that the balancing mass is operatively connected to at least one additional unit. It is particularly expedient if the additional units are connected to the guide means designed as drag or rocker arms. This then makes it possible to cover the kinematics of the balancing masses to cover automatic functions in the reciprocating piston machine, e.g. for the lubricating oil supply or for the compressed air supply of additional devices.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen eines Ausführungsbexspiels näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail using schematic drawings of an embodiment. They show:

Fig. 1 den prinzipiellen Grundaufbau,Fig. 1 the basic structure,

Fig. 2 eine Ausgestaltung der Anordnung fürFig. 2 an embodiment of the arrangement for

einen Massenausgleich, 5a mass balance, 5

Fig. 3 den Aufbau einer Torsionsfederanordnung.Fig. 3 shows the structure of a torsion spring arrangement.

In Fig. 1 ist in einer Stirnansicht eine Kurbel 1 einer Kurbelwelle einer hier nicht näher dargestellten Hubkolbenmaschine, beispielsweise eines Verbrennungsmotors dargestellt, Die Kurbel 1 besteht im wesentlichen aus einer Kurbelwelle 2, mit der über zwei parallel zueinander verlaufende Kurbelwangen 3 ein Kurbelzapfen 4 verbunden ist. Auf der dem Kurbelzapfen 4 abgekehrten Seite ist die Kurbelwange 3 als Gegengewicht 5 ausgestaltet, so daß die auf einer Kreisbahn um die Drehachse 6 der Kurbelwelle 2 umlaufenden Massenteile des hier nicht näher dargestellten Kurbeltriebes, also im wesentlichen der Kurbelzapfen 4 sowie der am Kurbelzapfen 4 angelenkte und mit diesem umlaufende, hier nicht näher dargestellte Teil des Pleuels im wesentlichen ausgewuchtet sind.Fig. 1 shows a front view of a crank 1 of a crankshaft of a reciprocating piston machine (not shown in detail here), for example an internal combustion engine. The crank 1 essentially consists of a crankshaft 2, to which a crank pin 4 is connected via two crank webs 3 running parallel to one another. On the side facing away from the crank pin 4, the crank web 3 is designed as a counterweight 5, so that the mass parts of the crank drive (not shown in detail here) rotating on a circular path around the axis of rotation 6 of the crankshaft 2, i.e. essentially the crank pin 4 and the part of the connecting rod (not shown in detail here) that is hinged to the crank pin 4 and rotates with it, are essentially balanced.

Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine Einzylinderhubkolbemaschine zugrunde gelegt, deren Zylinder bei dieser Darstellung sich senkrecht über der Kurbelwellenachse befindet, wie dies durch die Zylinderachse 7 angedeutet ist, so daß sich in der dargestellten Position der Kolben in der oberen Totlage befindet. Im Betrieb können durch das Gegengewicht 5 dementsprechend die durch Kolben, Kolbenbolzen und oberen Teil des Pleuels gebildeten oszillierenden Massen nicht ausgeglichen werden, so daß freie Massenkräfte in Richtung der Zylinderachse 7 wirksam werden. Bei Mehrzylindermotoren machen sich diese freien Massenkräfte bzw. Massenmomente dann - bezogen auf die Hubkolbenmaschinen insgesamt - als entsprechende translatorische und/oder rotatorische Bewegungen bemerkbar.The embodiment shown here is based on a single-cylinder reciprocating piston machine, the cylinder of which in this illustration is located vertically above the crankshaft axis, as indicated by the cylinder axis 7, so that in the position shown the piston is in the top dead center. During operation, the counterweight 5 cannot balance out the oscillating masses formed by the piston, piston pin and upper part of the connecting rod, so that free mass forces become effective in the direction of the cylinder axis 7. In multi-cylinder engines, these free mass forces or mass moments then become noticeable - in relation to the reciprocating piston machines as a whole - as corresponding translatory and/or rotary movements.

Oszillierende Massenkräfte wurden bisher durch gegenläufig umlaufende Unwuchten ausgeglichen, die dann entsprechend in Gegenrichtung wirksamen Massenkräfte erzeugen, durch die die freien Massenkräfte bzw. freien Massenmomente der hin- und hergehenden Triebwerksteile kompensiert werden konnten.Oscillating mass forces were previously balanced by counter-rotating imbalances, which then generate mass forces acting in the opposite direction, which could compensate for the free mass forces or free mass moments of the reciprocating engine parts.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten schematischen Beispiel ■ ist für den Massenausgleich einer Einzylinderhubkolbenmaschine eine Kurvenscheibe 8 vorgesehen, die mit der Kurbelwelle 2 fest verbunden ist und mit dieser umläuft. Die Außenkontur der Kurvenscheibe 8 stellt hierbei die Steuerkontur dar. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel· wird die Steuerkontur durch einen Kreis gebildet, so daß zur Erzeugung eines entsprechenden Gegenhubes zum Kurbelzapfen die Kurvenscheibe 8 mit ihrem Mittelpunkt 10 exzentrisch zur Drehachse 6 der Kurbelwellenachse 2 angeordnet ist. Die Ausrichtung dieser Exzentrizität ist so vorgesehen, daß sie in der gewünschten Wirkrichtung liegt.In the schematic example shown in Fig. 1, a cam disk 8 is provided for the mass balance of a single-cylinder reciprocating piston machine, which is firmly connected to the crankshaft 2 and rotates with it. The outer contour of the cam disk 8 represents the control contour. In the exemplary embodiment shown, the control contour is formed by a circle, so that in order to generate a corresponding counterstroke to the crank pin, the cam disk 8 is arranged with its center point 10 eccentrically to the axis of rotation 6 of the crankshaft axis 2. The orientation of this eccentricity is provided so that it lies in the desired direction of action.

In Verlängerung der Zylinderachse 7 bzw. in einer durch die Drehachse der Kurbelwelle einerseits und der Zylinderachse 7 andererseits definierten Ebene verlaufende Achse, die parallel zur Zylinderachse 7 verläuft, ist eine Ausgleichsmasse 11 angeordnet, die in entsprechenden Führungen 12, beispielsweise einer schematisch dargestellten Gleitführung, hin- und herbewegbar gelagert ist. Die Ausgleichsmasse 11 liegt über ein Rollelement 14 an der Steuerkontur 9 der Kurvenscheibe 8 an und ist über eine Federanordnung 13 am Maschinenkörper fest abgestützt. Bei Drehung der Kurbelwelle 1 bewegt sich somit die Ausgleichsmasse 11 immer in Gegenrichtung zu dem vom Kurbelzapfen 4 geführten Kolben.In the extension of the cylinder axis 7 or in an axis that runs parallel to the cylinder axis 7 and is defined by the axis of rotation of the crankshaft on the one hand and the cylinder axis 7 on the other, a balancing mass 11 is arranged that is mounted so that it can move back and forth in corresponding guides 12, for example a schematically shown sliding guide. The balancing mass 11 rests on the control contour 9 of the cam disk 8 via a rolling element 14 and is firmly supported on the machine body via a spring arrangement 13. When the crankshaft 1 rotates, the balancing mass 11 always moves in the opposite direction to the piston guided by the crank pin 4.

Bei entsprechender Abstimmung der Ausgleichsmasse 11 und der Exzentrizität, d. h. das Abstandes zwischen der Kurbel-With appropriate adjustment of the balancing mass 11 and the eccentricity, i.e. the distance between the crank

wellenachse 6 und dem Mittelpunkt 10 der Kurvenscheibe 8 werden somit die oszillierenden Massenkräfte kompensiert.shaft axis 6 and the center 10 of the cam disk 8 the oscillating mass forces are thus compensated.

Die Kurvenscheibe 8 kann hierbei auch zugleich Teil der Kurbelwange 3 sein und das Gegengewicht 5 kann in gleicher Weise in die Kurvenscheibe 8 integriert sein. Um das Auftreten von freien Massenkräften zu vermeiden, würden bei einem Einzylindermotor beide Kurbelwangen mit entsprechenden Kurvenscheiben 8 versehen sein, die auf jeweils eine Ausgleichsmasse einwirken. Oder aber die Ausgleichsmasse 11 wäre mit ihrer Wirkungsrichtung genau in Verlängerung der Zylinderachse 7 unterhalb der Kurbel anzuordnen. Die Federanordnung 13, die hier schematisch nur als Schraubenfeder dargestellt ist, sollte weitgehend dämpfungsfrei sein und so ausgelegt sein, daß im Betrieb Resonanzen weitgehend vermieden werden.The cam disk 8 can also be part of the crank web 3 and the counterweight 5 can be integrated into the cam disk 8 in the same way. In order to avoid the occurrence of free inertia forces, in a single-cylinder engine both crank webs would be provided with corresponding cam disks 8, each of which acts on a balancing mass. Or the balancing mass 11 would be arranged with its direction of action exactly in the extension of the cylinder axis 7 below the crank. The spring arrangement 13, which is shown schematically here only as a helical spring, should be largely dampen-free and designed in such a way that resonances are largely avoided during operation.

Wie eingangs bereits dargelegt, ist die Ausgleichsmasse als "Zusatzaggregat" definiert. Dementsprechend ist es auch möglich, zusätzlich oder anstelle der Ausgleichsmasse 11 über die Steuerkontur 9 der Kurvenscheibe 8 ein für die Maschinenfunktion erforderliches Zusatzaggregat anzutreiben, beispielsweise einen Druckerzeuger für die Schmierölversorgung oder zur Erzeugung von Druckluft.As already explained at the beginning, the balancing mass is defined as an "additional unit". Accordingly, it is also possible to drive an additional unit required for the machine function via the control contour 9 of the cam disk 8 in addition to or instead of the balancing mass 11, for example a pressure generator for the lubricating oil supply or for generating compressed air.

In Fig. 2 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen Massenausgleich einer Mehrzylindermaschine, beispielsweise einer 4-Zylindermaschine dargestellt. Die Kurbelwelle 2 ist daher nur mit ihrer Drehachse 6 gekennzeichnet.Fig. 2 shows a schematic example of a mass balance for a multi-cylinder machine, for example a 4-cylinder machine. The crankshaft 2 is therefore only identified by its axis of rotation 6.

Bei diesem Anwendungsbeispiel ist, wie vorbeschrieben, jeweils an den Enden eine Kurvenscheibe 8 mit Steuerkontur mit der Kurbelwelle 2 verbunden. An der Steuerkontur 9 liegt über ein Rollelement 14 eine schwenkbare Ausgleichsmasse 16 an, die mit ihrem anderen Ende am Maschinengehäuse 15 hin- und herschwenkbar gelagert ist. Diese Ausgleichsmasse kann nun wiederum über eine Schraubenfeder abgestützt werden. Zweckmäßig ist es jedoch, wenn die Ausgleichsmasse 16, wie hier schematisch dargestellt, jeweils mit einerIn this application example, as described above, a cam disk 8 with a control contour is connected to the crankshaft 2 at each end. A pivotable balancing mass 16 rests on the control contour 9 via a rolling element 14, the other end of which is mounted on the machine housing 15 so that it can be pivoted back and forth. This balancing mass can in turn be supported by a coil spring. However, it is expedient if the balancing mass 16, as shown schematically here, is provided with a

Torsionsfeder 13.1 und 13.2 mit dem Maschinengehäuse 15 verbunden sind. Der Vorteil der Verwendung einer Torsionsfeder besteht insbesondere darin, daß diese platzsparend auch in der ölwanne verlaufen kann, ohne daß hier durch das die Torsionsfedern umgebende öl nennenswerte Verdrängungsarbeit aufgenommen wird.Torsion springs 13.1 and 13.2 are connected to the machine housing 15. The advantage of using a torsion spring is that it can be installed in the oil pan to save space, without significant displacement work being absorbed by the oil surrounding the torsion springs.

Die schematische Darstellung in Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei der die Torsionsfedern 13.1 und 13.2 sich parallel zu beiden Seiten der Drehachse 6 der Kurbelwelle erstrecken. Die beiden Torsionsfederanordnungen 13.1 und 13.2, die anhand von Fig. 3 in ihrem konstruktiven Aufbau noch näher erläutert werden, sind nun jeweils endseitig mit dem Maschinengehäuse 15 verbunden. Die schwenkarmartige Ausgleichs-The schematic representation in Fig. 2 shows an arrangement in which the torsion springs 13.1 and 13.2 extend parallel to both sides of the axis of rotation 6 of the crankshaft. The two torsion spring arrangements 13.1 and 13.2, whose construction will be explained in more detail with reference to Fig. 3, are now each connected at the end to the machine housing 15. The swivel arm-like compensating

¹^ masse 16 ist mit ihrem einen Ende 16.1 drehfest mit dem zugehörigen Ende der jeweiligen Torsionsfederanordnung 13 verbunden und erstreckt sich quer zur Kurbelwellenlängsrichtung unterhalb der Kurvenscheibe 8 und stützt sich auf der Kurvenscheibe 8 wiederum über ein Rollelement 14 ab. Die Federanordnung 13 steht jeweils unter einer entsprechenden Vorspannung, so daß der Kontakt zwischen der Steuerkontur der Kurvenscheibe 8 und dem Rollelement gewährleistet ist. ¹ ^ mass 16 is connected with one end 16.1 in a rotationally fixed manner to the corresponding end of the respective torsion spring arrangement 13 and extends transversely to the longitudinal direction of the crankshaft below the cam disk 8 and is in turn supported on the cam disk 8 via a rolling element 14. The spring arrangement 13 is in each case under a corresponding preload so that the contact between the control contour of the cam disk 8 and the rolling element is ensured.

Die schwenkarmartige Ausgleichsmasse 16 ist hierbei nach Möglichkeit so geformt, daß die Bewegungsrichtung des Schwerpunktes S und damit die Wirkrichtung der Ausgleichsmasse auf die Wirkrichtung des auszugleichenden Massenmomentes und/oder der Massenkräfte abgestimmt ist.The swivel arm-like balancing mass 16 is, if possible, shaped in such a way that the direction of movement of the center of gravity S and thus the direction of action of the balancing mass is coordinated with the direction of action of the moment of mass to be balanced and/or the mass forces.

Da durch den Abstand zwischen der durch die Achse der Federanordnung vorgegebene Schwenkachse der Ausgleichsmasse 16 zum Angriffspunkt der Kurvenscheibe an der Ausgleichsmasse, hier definiert durch die Lage des Rollelementes, Einfluß auf die Hebelübersetzung und damit Einfluß auf den Schwenkweg des Schwerpunktes S genommen werden kann, ist in den Ausgleichsmassen jeweils eine Ausnehmung 17 vorgesehen, die jeweils die andere Torsionsfederanord-Since the distance between the pivot axis of the balancing mass 16, which is defined by the axis of the spring arrangement, and the point of application of the cam disk on the balancing mass, here defined by the position of the rolling element, can influence the lever ratio and thus the pivot path of the center of gravity S, a recess 17 is provided in each balancing mass, which in each case accommodates the other torsion spring arrangement.

nung umgreift, so daß die baulichen Gegebenheiten des Kurbelgehäuses auch für den Einbau der Torsionsfederanordnung berücksichtigt werden können. Bei kleiner Federtordierung läßt sich über die Bemessung des Schwerpunktabstandes ein großer Schwerpunkthub realisieren und damit das Gewicht der Ausgleichsmasse deutlich reduzieren.tion, so that the structural conditions of the crankcase can also be taken into account for the installation of the torsion spring arrangement. With a small spring twist, a large center of gravity stroke can be achieved by dimensioning the center of gravity distance, thus significantly reducing the weight of the balancing mass.

Zusätzlich zu den Torsionsfederanordnungen 13.1 und 13.2 ist es ferner möglich, wie in Fig. 1 dargestellt, die ^10 , schwenkarmartige Ausgleichsmasse 16 über eine Schraubenfederanordnung 13 abzustützen. Hierdurch ist eine weitere Gestaltungsmöglichkeit für die Auslegung der Federanordnungen gegeben.In addition to the torsion spring arrangements 13.1 and 13.2, it is also possible, as shown in Fig. 1, to support the ^10, swivel arm-like balancing mass 16 via a coil spring arrangement 13. This provides a further design option for the layout of the spring arrangements.

Sowohl die Torsionsfederanordnungen 13.1 und 13.2 als auch eine etwaige zusätzliche Federanordnung 13 steht unter einer vorgegebenen Vorspannung. Um nun die durch die Vorspannung bewirkte Rollreibung zwischen der Kurvenscheibe 8 und dem Rollelement 14 reduzieren zu können, kann nun die zusätzliche Federanordnung 13 in der Weise mit dem Maschinengehäuse verbunden sein, daß ihre Vorspannung veränderbar ist. Diese Veränderung der Vorspannung wird zweckmäßigerweise in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors, insbesondere in Abhängigkeit von der Drehzahl vorgenommen, um so die Abstimmung des Feder-Masse-Systems variieren zu können. Es ist selbstverständlich auch möglich, ohne eine derartige zusätzliche Federabstützung 13 die Vorspannung der Torsionsfederanordnungen 13.1 und 13.2 bei entsprechender konstruktiver Ausgestaltung der Verbindung mit dem Motorgehäuse und bei der Anordnung eines entsprechenden Stellmittels zu verändern, insbesondere in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors zu verändern.Both the torsion spring arrangements 13.1 and 13.2 and any additional spring arrangement 13 are under a predetermined preload. In order to be able to reduce the rolling friction caused by the preload between the cam disk 8 and the rolling element 14, the additional spring arrangement 13 can now be connected to the machine housing in such a way that its preload can be changed. This change in the preload is expediently carried out depending on the operating state of the motor, in particular depending on the speed, in order to be able to vary the coordination of the spring-mass system. It is of course also possible to change the preload of the torsion spring arrangements 13.1 and 13.2 without such an additional spring support 13 if the connection to the motor housing is designed accordingly and if a corresponding adjusting means is arranged, in particular depending on the speed of the motor.

In Fig. 2 ist die Anordnung für eine 4-Zylindermaschine stellt, bei der die Ausgleichsmassen sich im Gleichtakt, d. h.· gleichsinnig bewegen. Bei einer 3-Zylindermaschine müssen die beiden Kurvenscheiben 8 mit ihrer Steuerkontur so ausgebildet sein, daß sich die Ausgleichsmassen imIn Fig. 2 the arrangement for a 4-cylinder machine is shown, in which the balancing masses move in unison, i.e. in the same direction. In a 3-cylinder machine, the two cam disks 8 with their control contour must be designed in such a way that the balancing masses move in unison.

- · 12- · 12

Gegentakt, d. h. gegenläufig bewegen.Push-pull, i.e. moving in opposite directions.

In Fig. 3 ist in einem Querschnitt der Aufbau eines Torsionselementes näher dargestellt. Dieses besteht aus einem ersten Torsionsfederrohr 18, das mit seinem Ende 19 fest im Motorgehäuse 15 eingespannt ist. über das Torsionsfederrohr 18 ist ein zweites Torsionsfederrohr 20 koaxial aufgeschoben, das am Ende 21 des ersten Torsionsfederrohres 18 fest mit diesem verbunden ist. Das hierdurch gebildete freie Ende 22 der Torsionsfederanordnung ist im Maschinengehäuse 15 so gelagert, daß eine freie Drehbewegung des Endes 22 möglich ist.In Fig. 3, the structure of a torsion element is shown in more detail in a cross-section. This consists of a first torsion spring tube 18, which is firmly clamped at its end 19 in the motor housing 15. A second torsion spring tube 20 is pushed coaxially over the torsion spring tube 18, which is firmly connected to the end 21 of the first torsion spring tube 18. The free end 22 of the torsion spring arrangement formed in this way is mounted in the machine housing 15 in such a way that a free rotational movement of the end 22 is possible.

Das dem Ende 21 abgekehrte Ende 23 des äußeren Torsionsrohres 20 ist über die drehfest verbundene, schwenkarmartige Ausgleichsmasse 16 in gleicher Weise im Maschinengehäuse 15 drehbar gelagert. Durch eine derartige Schachtelung von zwei, aber auch mehreren Torsionsfederrohren ist es möglich, für eine durch das Maschinengehäuse vorgegebenen Länge praktisch jede gewünschte Federsteifigkeit zu realisieren. The end 23 of the outer torsion tube 20 facing away from the end 21 is rotatably mounted in the machine housing 15 in the same way via the rotationally fixed, swivel arm-like balancing mass 16. By nesting two or more torsion spring tubes in this way, it is possible to achieve practically any desired spring stiffness for a length specified by the machine housing.

Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß auch hier anstelle einer Ausgleichsmasse ein Hebel vorgesehen werden kann oder zusätzlich zu einer oder mehreren Ausgleichsmassen weitere Zusatzaggregate mit dem Hebel 16 der schwenkarmartigen Ausgleichsmasse verbunden werden können, so daß die Kinematik dieses Hebels bzw. der Ausgleichsmasse für den Antrieb entsprechender Zusatzaggregate zur Verfügung steht.It is readily apparent that here too a lever can be provided instead of a balancing mass or that in addition to one or more balancing masses, further additional units can be connected to the lever 16 of the swivel arm-like balancing mass, so that the kinematics of this lever or the balancing mass are available for the drive of corresponding additional units.

Die Steuerkontur 9 der Kurvenscheibe 8 muß nicht zwangsläufig als Kreis ausgebildet sein, sondern kann in Abstimmung auf die gewünschte Kinematik des anzutreibenden Zusatzaggregates gestaltet werden, wobei der Verlauf der Steuerkontur 9 als stetige Kurve ausgeführt sein sollte, um hier Beschleunigungssprünge zu vermeiden. So ist beispielsweise die Form eines Nockens oder ähnlicher mathematischerThe control contour 9 of the cam disk 8 does not necessarily have to be designed as a circle, but can be designed in accordance with the desired kinematics of the additional unit to be driven, whereby the course of the control contour 9 should be designed as a continuous curve in order to avoid acceleration jumps. For example, the shape of a cam or similar mathematical

■ ' 13■ ' 13

stetiger Kurven, die für die gewünschte Kinematik verwendbar sind, möglich.continuous curves that can be used for the desired kinematics.

Bei Hubkolbenmaschinen mit mehreren Zylindern können beispielsweise bei einer Reihenmaschine entsprechend auch jedem Kolben eine entsprechende Ausgleichsmasse zugeordnet werden.In the case of reciprocating piston machines with several cylinders, for example, each piston can be assigned a corresponding balancing mass in an in-line machine.

Bei Hubkolbenmaschinen mit anderen Geometrien, beispielsweise V-Motoren o. ä. bietet diese Form des Massenausgleichs die Möglichkeit, die durch die Führung definierte Bewegungsrichtung der Ausgleichsmasse in ihrer Richtung so anzuordnen, daß auch anders gerichtete freie Massenmomente kompensiert werden können.
15In the case of reciprocating piston machines with other geometries, such as V-engines or similar, this form of mass balancing offers the possibility of arranging the direction of movement of the balancing mass defined by the guide in such a way that free mass moments directed in a different direction can also be compensated.
15

Es ist aber bei entsprechender Gestaltung des Rollelementes 14 auch möglich, die Torsionsfeder 13.1 quer zur Drehachse 6 der Kurbelwellenachse 2 auszurichten, wobei darüber hinaus auch die Möglichkeit besteht, den als Ausgleichsmasse ausgebildeten Hebel 16 in den Bereich unterhalb der Kurbel, jedoch außerhalb des Flugkreises anzuordnen.However, with a corresponding design of the rolling element 14, it is also possible to align the torsion spring 13.1 transversely to the axis of rotation 6 of the crankshaft axis 2, whereby it is also possible to arrange the lever 16 designed as a balancing mass in the area below the crank, but outside the flight circle.

Claims

- - 14 Protection claims:

1. Reciprocating piston machine, in particular internal combustion engine, with at least one cylinder in which a piston connected to a crankshaft is guided so as to be movable back and forth, characterized in that the crankshaft (1) is connected to at least one rotating cam disk (8) having a control contour (9) which acts as an actuating means on at least one additional unit (11).

2. Reciprocating piston machine according to claim 1, characterized in that at least one balancing mass is provided as an additional unit (11), which is guided on the reciprocating piston machine so as to be movable back and forth depending on the crankshaft rotation and which is connected to a spring arrangement (13; 13.1).

3. Reciprocating piston machine according to claim 1 and 2, characterized in that the direction of movement of the balancing mass (11) is coordinated with the direction of action of the mass forces and/or mass moments to be balanced.

4. Reciprocating piston engine according to one of claims 1 to 3,

characterized in that the course of the control contour (9) is continuous.

5. Reciprocating piston machine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the spring arrangement (13) has a progressive characteristic curve.

6. Reciprocating piston machine according to one of claims 1 to 5, characterized in that the spring arrangement is connected under prestress to the balancing mass (11).

'- - 15

7. Reciprocating piston machine according to one of claims 1 to 6, characterized in that the spring arrangement (13) is connected to adjusting means (24) for changing the preload.

8. Reciprocating piston machine according to one of claims 1 to 7, characterized in that the preload of the spring arrangement (13) can be changed via the adjusting means (2 4) depending on the operating state of the engine, in particular depending on the speed.

9. Reciprocating piston machines according to one of claims 1 to 8, characterized in that the spring arrangement is designed as a torsion spring.

10. Reciprocating piston machine according to one of claims 1 to 9, characterized in that at least two torsion springs (18, 20) are provided for a torsion spring arrangement (13.1), wherein at least one torsion spring (20) is tubular and the other torsion spring (18) is arranged coaxially in the tubular torsion spring (20).

11. Reciprocating piston machine according to one of claims 1 to 10,

characterized in that in a multi-cylinder in-line engine two torsion spring arrangements (13.1, 13.2) are provided running parallel to both sides of the crankshaft (6), the torsion spring arrangements being mounted on opposite end sides and that a balancing mass (16) is connected to each torsion spring arrangement (13.1, 13.2), which is designed like a swivel arm and is aligned with its main extension perpendicular to the axis of the associated torsion spring arrangement (13.1, 13.2).

1616

12. Reciprocating piston machine according to claim 9, characterized in that the swivel arm-like balancing mass (16) has a recess (17) in the region of its free end, which encompasses the other torsion spring arrangement (13.1; 13.2),

13. Reciprocating piston machine according to one of claims 1 to 12, characterized in that a rolling element (14) is arranged between the control contour (9) and the balancing mass (11).

14. Reciprocating piston machine according to one of claims 1 to 13, characterized in that the balancing mass (11) is connected to the reciprocating piston machine via guide means (16).

15. Reciprocating piston machine according to one of claims 1 to 14, characterized in that the balancing mass (11) is operatively connected to at least one further additional unit.

16. Reciprocating piston machine according to one of claims 1 to 15, characterized in that the cam disc (8) is connected to a cheek (3) of a crank (2) of the crankshaft (1).