Massenausgleich für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft einen Massenausgleich für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit drei zueinander ver¬ setzten Zylinderreihen zu je vier Zylinder und einer gemeinsamen Kurbelwelle mit vier Hubzapfen, auf die je eine Kolben-Pleuel-Einheit einer jeden Zylinderreihe wirkt.

Hubkolben-Brennkraftmaschinen dieser Bauart sind als W-Motoren bekannt. Der bevorzugte Zylinderwinkel beträgt 60°, was eine Spreizung der außenliegenden Zylinderrei¬ hen von 120° zueinander ergibt. Soll eine derartige Brennkraftmaschine in ein Kraftfahrzeug eingebaut wer¬ den, so ergeben sich sehr beengte Bauräume, die schon bei der Konstruktion der Brennkraftmaschine beispiels¬ weise auch beim Massenausgleich zu berücksichtigen sind. Insbesondere für den Ausgleich der Massenkräfte und -momente 2. Ordnung ergeben sich Probleme, wenn diese mittels gegensinnig mit doppelter Motordrehzahl ange¬ triebener Ausgleichswellen ausgeglichen werden sollen.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Brennkraftma¬ schine der gattungsgemäßen Art einen Massenausgleich mit Ausgleichswellen vorzuschlagen, der bei baulich relativ geringem Aufwand einen zuverlässigen Ausgleich der frei-

en Massenkräfte und -momente insbesondere der 2. Ordnung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnen¬ den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhaf¬ te und besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin¬ dung sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.

Wie von den Erfindern erkannt wurde, können bei dem gattungsgemäßen W-Motor die freien Massenkräfte und -momente insbesondere der 2. Ordnung mit nur zwei gegen¬ sinnig und mit doppelter Motordrehzahl angetriebenen Ausgleichswellen mit entsprechend angepaßten Ausgleichs¬ gewichten ausreichen, wenn deren Anordnung die im Pa¬ tentanspruch 1 definierte Beziehung erfüllt.

Unter Berücksichtigung dieser Vorgaben ist den weiteren Patentansprüchen eine bevorzugte räumliche Anordnung entnehmbar, die sich baulich besonders günstig an der Brennkraftmaschine verwirklichen läßt. So können die räumlich relativ nahe beieinanderliegenden Ausgleichs¬ wellen über einen Riemen- oder Kettentrieb vibrations- und geräuscharm angetrieben werden. Ferner verbleibt ausreichender Bauraum für die an Brennkraftmaschinen üblichen und erforderlichen Antriebe und Aggregate, wie Nockenwellen, Lüfterantrieb, Generator, Lenkungspumpe, etc.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.

Die Fig. 1 - 8 zeigen nach dem Prinzip des Vektor- Additionsverfahrens die theoretischen Zusammenhänge des erfindungsgemäßen Massenausgleiches;

Fig. 9 zeigt die theoretische Anordnung der Ausgleichswellen nach der im Patent¬ anspruch 1 definierten Beziehung; und

Fig. 10 das Zylinderkurbelgehäuse einer W12- Hubkσlben-Brennkraft aschine mit zwei an einer Seite angeordneten Aus¬ gleichswellen.

Fig. 11 eine Anordnung der Ausgleichswellen unmittelbar im Zylinder-Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine nach Fig. 10, im Schnitt gemäß Linie XI-XI der Fig. 12 und

Fig. 12 einen Längsschnitt gemäß Linie XII-XI der Fig. 11 durch die seit¬ lich an der Zylinderseite III ange¬ ordnete Ausgleichswelle mit Lager¬ deckeln.

Die längs einer Zylinderachse oszillierenden Massenkräf¬ te F _Q ( Y ) der i-ten Ordnung lassen sich durch zwei mit der Drehzahl i x ω gegensinnig umlaufende Vektoren dar¬ stellen. Positiv und negativ umlaufende Vektoren stehen dabei spiegelbildlich zur Zylinderachse. Zu jedem Zeit¬ punkt ty « ωt) heben sich die Horizontalkomponenten der Vektoren auf und die Vertikalkomponenten addieren sich zu F _Q « Aω cos (i γ ); für die zweite Motorord¬ nung ist A - λm r.

Bei Motoren mit mehreren Zylinderreihen werden die Sum¬ men aus den positiv und negativ umlaufenden Vektoren der anderen Zylinderreihen gebildet.

In der Fig. 1 sind die drei Zylinderreihen 1,11, und III

einer W12-Hubkolben-Brennkraftmaschine in strichpunk¬ tierten Linien aufgetragen, wobei eine Kurbelkröpfung entsprechend einem Vierzylinder-Reihenmotor zu¬ grundegelegt ist (vgl. Fig. 7, Kurbelwelle 10). Als Bezugsstellung ist der erste Zylinder der Zylinderreihe II (= Zylinder fünf) in OT gewählt. Die Kröpfung der Kurbelwelle 10 steht bezüglich dieser Zylinderreihe in

Strecklage, so daß die Vektoren E+ OI_I und F"oi _τ i_ in Zy ^■ *lin- derachsrichtung II zeigen. Diese Vektoren sind in Fig. 1 gezeigt.

In Fig. 2 stellt der Vektor F* die Lage des positiv umlaufenden Vektors der Zylinderreihe I dar, wenn die Kurbelwelle 10 gedanklich in Strecklage der Reihe I wäre. Für die gewählte Bezugsstellung ist nun die Kur¬ belkröpfung um den Zylinderwinkel Y von Reihe I zur Reihe II zu drehen. Für i - 2 (2. Ordnung) dreht sich damit der Vektor F^ _χ um 2γ in Motordrehrichtung in die

Position F*oi _τ - Den negativ umlaufenden Vektor Fo" _τ l der

Zylinderreihe I erhält man dann durch Spiegelung an der Zylinderachse I.

Fig. 3 zeigt die Ermittlung der Vektoren ? _{QI l τ} und F~_

In Fig. 4 sind die positiv und negativ umlaufenden Vek¬ toren zu F* _R und F" _R addiert. Hier kann man erkennen, daß F* und F~ durch zwei gegenläufige Ausgleichswellen kompensiert werden können.

Die Lage der Ausgleichswellen muß aber so gewählt wer¬ den, daß durch die Kräfte an den Ausgleichswellen keine Momente um die Kurbelwellenlängsachse entstehen. Bezugs¬ stellung für die Vektoraufzeichnung in Fig. 4 ist wie¬ derum der Zylinder fünf bzw. der erste Zylinder der Zylinderreihe II in OT-Stellung.

Die freie oszillierende Massenkraft für den Vier-Zylin¬ der-Reihenmotor nach Gleichung F - 4λm rω cos2f, ist darstellbar durch je einen positiv bzw. negativ umlauf- enden Vektor der Größe F*o « Fo"i - 2λmorω mit konstan- ter Winkelgeschwindigkeit +2ω bzw. -2ω [ γ ■ Zylinderwin¬ kel, - Kurbelwinkel).

Daraus ergeben sich aufgrund der drei Zylinderreihen nach Gleichung F*. - rj _∑1 - F _ιχχ - ?-. - F _χχ - ? -.. . positiv bzw. negativ umlaufende Vektoren der Größe 2λm _Q rω . Daraus ergibt sich Fj _R , F" - resultierender Vektor positiv bzw. negativ umlaufend und F OR_ resultie- render Vektor veränderlicher Größe aus F OK und F~OR.

Die Fig. 5 und 6 zeigen vektoriell die freien Massenmo¬ mente 2. Ordnung aus dem Pleuelversatz, der sich daraus ergibt, daß bei der gattungsgemäßen Bauart je ein Pleuel aus den drei Zylinderreihen auf einen gemeinsamen Hub¬ zapfen der Kurbelwelle 10 wirken. Bezugsstellung ist wiederum der Zylinder fünf in OT. Während die Zylinder¬ reihe III aufgrund des mittigen Pleuelangriffes am Hub¬ zapfen (vgl. Fig. 7) kein Moment ergibt, sind die resul¬ tierenden Momente aus den außermittig angreifenden Peu- eln in Fig. 5 und 6 aufgetragen.

Dabei sind die Benennungen analog denen bei der Herlei¬ tung der freien Massenkräfte. Bei Δz handelt es sich um den Pleuelversatz, um den die Zylinderreihen zueinander versetzt sind (Fig. 7). Δz ist der Hebelarm, mit dem die resultierenden Massenkräfte Momente um die x- und y-Ach- se erzeugen, daher sind F _ und F~ _ mit umgekehrter Richtung angetragen (entspricht negativem Hebelarm, vgl. Fig. 6). Das resultierende Moment steht zu jedem Zeit¬ punkt senkrecht auf der Richtung von F _ ' Δz.

Aus vorstehenden Überlegungen ergibt sich, daß - wie in Fig. 9 dargestellt - die freien Massenkräfte 2. Ordnung

F _R und F- _R durch zwei Ausgleichswellen 12,14 mit den Unwuchtkräften F und F~ direkt ausgleichbar sind. Dabei gilt: FJ _R = F* und F _QR - F" . Durch die Bedingung Y ₂ ■= -2y ₁ und ₂ = +k<--_ für die Lage der Ausgleichswellen 12,14 bzw. deren Drehachsenkoordinaten können die aus den Unwuchtkräften der Ausgleichwellen resultierenden Drehmomente um die Kurbelwellenlängsachse vollständig kompensiert werden. Die Bedingung ergibt sich aus dem Verhältnis der Kräfte Fj _R / p- - F ⁺ / F~ - 2.

Das Massendrehmoment um die x- und y-Achse aus dem Pleu¬ elversatz ist durch geeignete Korrekturmassen an den Ausgleichswellen vollständig ausgleichbar.

Die Fig. 10 schließlich zeigt schematisch die Stirnan¬ sicht des Zylinderkurbelgehäuses 18 der Wl2-Hubkolben-Brennkraftmaschine, welches sich funktio¬ neil in das Kurbelgehäuse 20 und in die Zylinderreihen I,II,III unterteilt. Die Zylinderwinkel α betragen je¬ weils 60°. Die nicht dargestellte Kurbelwelle 10 ist in bekannter Weise in dem Gehäuse 18 drehbar gelagert; die Drehachse ist mit 16 bezeichnet.

An der auf der Zeichnung rechten Längsseite der Zylin¬ derreihe III sind im Bereich des Kurbelgehäuses 20 die erste Ausgleichswelle 12 und seitlich in Höhe der Zylin¬ derreihe III in einem separaten Gehäuse 26 die zweite Ausgleichswelle 14 drehbar gelagert. Die Ausgleichswel¬ len 12,14 sind in nicht dargestellter Weise über einen Zahnriementrieb mit doppelter Kurbelwellendrehzahl und in gegensinniger Drehrichtung angetrieben, wobei die Drehrichtungen durch Pfeile angezeigt sind (vgl. auch Fig. 9, auch zur Phasenlage Kurbelwelle 10 zu Aus¬ gleichswellen 12,14). Die Ausgleichswellen 12,14 tragen in bekannter Weise Ausgleichsgewichte 22,24, wie in Fig. 9 gezeigt.

Die Anordnung der Ausgleichswellen 12,14 ist entspre¬ chend der vorgenannten Beziehung; d. h. , daß der Abstand der Ausgleichswelle 12 in X-Richtung des gestrichelt dargestellten Koordinatenkreuzes x. und der Abstand der Ausgleichswelle 14 2 ^ beträgt. Ferner ist der Abstand in Y-Richtung bei der Ausgleichswelle 12 y. und bei der Ausgleichswelle 14 -2 ^ _r jeweils bezogen auf die Dreh¬ achse 16 der Kurbelwelle 10.

Die Figuren 11 und 12 zeigen die Anordnung der Aus¬ gleichswellen 12', 14' unmittelbar im Zylinder-Kurbelge¬ häuse 18 der Brennkraftmaschine integriert. Dabei ist die Ausgleichswelle 12' (vgl. Fig. 11) nahe der durch die Pleuelbewegungen (Pleuelgeige) gegebene Hüllkurve 28 angeordnet, innerhalb eines an das Kurbelgehäuse 20 an¬ geformten Gehäusetunnels 30.

Ein weiterer Gehäusetunnel 32 ist seitlich und am oberen Ende der Zylinderreihe III des Zylinder-Kurbelgehäuses 18 angeformt und erstreckt sich über deren gesamte Län¬ ge. Innerhalb des Gehäusetunnels 32 ist die Ausgleichs¬ welle 14' drehbar gelagert.

Wie der Fig. 12 entnehmbar ist, ist die Ausgleichswelle 14' an ihren beiden Enden in Lagerdeckeln 34, 36 drehbar gelagert. Die Lagerdeckel 34, 36 sind in nicht darge¬ stellter Weise mit dem Zylinder-Kurbelgehäuse 18 ver¬ schraubt. Ein weiteres Gleitlager 38 ist etwa mittig un¬ mittelbar im Zylinder-Kurbelgehäuse 18 bzw. im Gehäu¬ setunnel 32 vorgesehen. Über nicht näher dargestellte Schmieröl-Kanäle werden die Gleitlager der Ausgleichs¬ wellen 12', 14' mit Schmieröl versorgt.

Die Lagerung der Ausgleichswelle 12' im Kurbelgehäuse 20 ist im wesentlichen gleich der vorbeschriebenen Aus- gleichεwelle 14'.

Die beschriebene Anordnung der Ausgleichwellen unmittel¬ bar in entsprechenden Wänden des Kurbelgehäuses 20 bzw. seitlich entlang der Zylinderreihe III hat den Vorteil, daß bei fertigungstechnisch relativ geringem Aufwand die vorgegebene Bedingung hinsichtlich der geometrischen Anordnung der Ausgleichswellen mit Bezug zur Kurbelwel¬ lenachse 16 gut erfüllbar ist. Die Gehäusetunnel 30, 32 können beim Gießen des Zylinder-Kurbelgehäuses 18 mit hergestellt werden, wobei die für die Ausgleichswelle erforderlichen Öffnungen durch entsprechende Kernzüge (Pinolen) geschaffen werden.

Die Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungs¬ beispiel bzw. auf die gezeigte Anordnung beschränkt. Beispielsweise kann es aus baulichen Gründen angezeigt sein, die Ausgleichswellen 12,14 durch Änderung des Maßes X oder Y zu verschieben; maßgeblich ist dabei die im Patentanspruch 1 angegebene Beziehung.