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Ausbildung der Kurbelwelle und der Kurbelscheiben bei mehrzylindrigen
Explosions-Kraftmaschinen. Um die bei schnellaufenden Kolben- und namentlich Explosions-Kraftma:schinen
sich äußernde schädliche Massenwirkung möglichst zu verringern, ist bisher stets
der Weg verfolgt worden, die hin und her gehenden Teile, wie Kolben und Gestänge,
möglichst leicht auszubilden. Auch für die Kurbelwelle wurde die gleiche Regel befolgt,
um mit der Verringerung der Masse auch deren Stöße und Erschütterungen möglichst
klein zu halten. Bei den Kurbelwellen der bekannten Motoren ist ein vollständiger
Massenausgleich nicht erzielbar und damit ist das Bestreben, die nach einer Richtung
überwiegenden Massen tunlichst klein zu halten, berechtigt.
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Wenn dagegen bei solchen schnellaufenden Maschinen, wie z. B: bei
den Explosions-, insbesondere den Kraftfahrzeugmotoren, bei denen die Kurbelwelle
bereits zur Erzielung eines möglichst guten Massenausgleichs hinsichtlich der Kurbelstellungen
symmetrisch ausgebildet ist, diese Welle unter Belassung des Schwungrades an dem
einen Ende derselben, mit Rücksicht auf Massenwirkungen, möglichst leicht hergestellt
wird, so stellen sich gerade infolge dieser leichten Kurbelwelle sehr unangenehme
Stöße und Erschütterungen ein, da den tatsächlich vorliegenden Betriebsbedingungen
nicht Rechnung getragen ist. Denn die durch den Un-.gleichförmigkeitsgrad jedes
einzelnen Zylinders hervorgerufene absatzweise wirkende Verdrehungs- und Biegungsbeanspruchung
der Welle muß sich bei einer derartigen Ausbildung durch die ganze Länge der Welle
fortpflanzen, bis ,sie das. Schwungrad erreicht. Jede Kurbelwelle mit einem Schwungrad
am Ende ist mit einer einseitig eingespannten Verdrehungsfeder vergleichbar, die
gleichzeitig Verdrehungs- und Biegungsbeanspruchungen ausgesetzt ist. Diese Schwingungen
führen bei der dünnen Welle dann, namentlich in der Nähe des Schwungrades, besonders
leicht zum Bruch, wenn Resonanzerscheinungen der Schwingungen auftretent oder wenn
durch Betriebsstörungen, Fehlzündungen u. dgl. noch besondere Belastungsstöße hinzukommen.
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Die Stöße und Erschütterungen lassen sich gemäß der Erfindung dadurch
beseitigen, daß die Kurbelwelle einschließlich des als Schwungmasse wirkenden Anteils,
des Gestänges als ein Kreisel ausgebildet ist, bei welchem das Schwungrad durch
eine Reihe von Schwungmassen ersetzt ist, die über die Kurbelwelle gleichmäßig verteilt
sind und bei dem sowohl die Teilschwerpunkte der einzelnen Kröpfungen, als auch
der Gesamtschwerpunkt des Gebildes in die Drehachse fällt. Die Masse ist also rings
um die Achse der Kurbelwelle derart gleichmäßig verteilt, daß das polare Trägheitsmoment,
d. h. die Summe aller Massenteilchen multipliziert mit dem Quadrat ihres Abstandes.
von der Kurbelwellenachse, unter Beachtung der richtigen Vorzeichen gleich Null
wird. Hierdurch stellt sich die Kurbelwelle wie ein Kreisel von selbst in ihre freie
Achse ein und sucht auch gegenüber Störungen irgendwelcher Art ihre Drehung um diese
freie Achse beizubehalten.
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Die Erfindung sei im folgenden an Hand einiger schematisch in der
Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele erläutert: Die Art des Ausgleichs,
der Biegungsbeanspruchungen der Welle infolge der Fliehkraftwirkung einseitig -
angebrachter Massen geht aus dem Beispiel der Abb. r hervor. Bei dieser Ausführung
besitzen die Kurbelwangen a, welche in an sich bekannter Weise scheibenförmig ausgebildet
sind, eine vergleichswese große Breite b, um so einen
möglichst
großen Teil der Gesamtschwungmasse in die Teilschwungmassen a zu verlegen. Die Massenwirkung
des exzentrischen Kurbelzapfens c sowie des Pleuelstangenkopfes und eines Teils
der Pleuelstange wird ohne Vermehrung des Gesamtgewichts der Kurbelwelle gemäß der
Erfindung dadurch ausgeglichen, daß von den Teilschwungmassen a in der Nähe des
Kurbelzapfens an der Stelle d eine so große Masse fortgenommen wird, daß der Teilschwerpunkt
Sf des aus der Scheibe a, dem halben Kurbelzapfen c° und Teilen der Pleuelstange
gebildeten Körpers in die Achse der Kurbelwelle fällt (vgl. Abb. i). In diesem Falle
liegt auch der Gesamtschwerpunkt S der ganzen Kröpfung in der Wellenachse und kann
keine schädlichen Wirkungen nach außen mehr hervorrufen. Von der Scheibe a kann
zum Ausgleich an der Stelle d die Masse entweder durch einen Schnitt fortgenommen
werden, der, wie in der Stirnansicht zu Abb. i ersichtlich ist, senkrecht zur Kröpfungsrich
; tung steht, oder aber, wenn ein solcher Schnitt die an dem Kurbelzapfen stehenbleibende
Masse der Scheibe zu sehr verringern würde, durch zwei schräge, symmetrisch zur
Kröpfungsrichtung liegende Schnitte di, dz (Abb. z) ersetzt ist.
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Soll auf eine möglichst große Gewichtsersparnis Wert gelegt werden,
so können die Scheiben a, welche die Stellen der Kurbelwangen einnehmen, in einer
Breite b ausgeführt werden, die, da die zusätzlichen Biegungsbeanspruchungen gegenüber
den jetzt gebräuchlichen Kurbelwellenwangen fortfallen, nur außerordentlich klein
zu sein braucht (vgl. Abb.3). In diesem Falle muß natürlich ein Schwungrad vorhanden
sein. Eine Biegungsbeanspruchung dieser dünnen Scheiben durch den einseitig sitzenden
Kurbelzapfen wird dann vermieden, wenn an der Außenseite der Scheibe a in Verlängerung
des Zapfens c Massen e von der Größe angebracht werden, daß der Teilschwerpunkt
St einer dieser Masse und des halben Kurbelzapfens (einschließlich der Teile der
Pleuelstange) in die Ebene der Scheibe a fällt. Auch hier wird dann durch Fortnahme
der Masse,d der Scheibe a oder in anderer Weise dafür gesorgt, daß die Teilschwerpunkte
der halben Kröpfung S't sämtlich in die Wellenachse fallen. Es kann auch der dem
Kurbelzapfen gegenüberliegende Teil in Richtung der Achse verdickt sein, um den
Teilschwerpunkt St in die Wellenachse zu verlegen bzw. um das polare Trägheitsmoment
(die Summe aller Massenteilchen multipliziert mit dem Quadrat ihres Abstandes von
der Achse unter Beachtung der Vorzeichen) gleich Null werden zu lassen. Die Ausbildung
der Welle nach Abb.3 eignet sich auch besonders gut bei zusammengesetzten Kurbelwellen,
da die Kurbelwangen a in diesem Falle aus minderwertigerem Material hergestellt
werden können, als die Kurbel- und Wellenzapfen.
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Außer auf die Biegungsbeanspruchungen, welche durch Fliehkräfte des
Kurbelzapfens selbst erzeugt werden,- muß auch noch auf diejenigen durch das Gestänge
Rücksicht genommen werden; doch wird der Einfluß der rein hin und her gehenden Massen
auf die Störungserscheinungen bei schnellaufenden Kolbenmaschinen meist überschätzt.
Wenn die Wirkung dieser Massen, wie z. B. bei den Einzylindermaschinen, nicht dadurch
gegeneinander aufgehoben werden kann, daß sich zwei gleich große Massen, z. B. die
Kolben benachbarter Zylinder, gleichzeitig in entgegengesetzter Richtung bewegen,
so wird jetzt die Wirkung der hin und her gehenden Massen durch sich drehende Zusatzmassen
auszugleichen versucht. Derartige Zusatzschwungmassen können jedoch nur zu leicht
die Störungserscheinungen schnellaufender Kolbenmaschinen vergrößern, anstatt sie
zu verringern, da von der Fliehkraft, welche sie erzeugen, für den Ausgleich jeweils
nur diejenige Komponente der Fliehkraft in Frage kommt, welche in der Achse des
Zylinders liegt, während die senkrecht hierzu stehende Komponente die Erschütterungen,
namentlich bei nicht ortsfesten Maschinen, noch steigert. Gemäß der 'Erfindung tritt
der günstigste Ausgleich dann ein, wenn vom Gestänge nur der Schubstangenkopf und
ein Teil der sich anschließenden Schubstange, soweit er in der Hauptsache eine Drehbewegung
ausführt, bei dem Massenausgleich berücksichtigt wird, während sonst die hin und
her gehenden Massen vollkommen unausgeglichen bleiben.
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Der schädliche Einfluß dieser hin und her gehenden Massen wird um
so geringer, je größer die benachbarten sich drehenden Massen gewählt werden. Aus
diesem Grunde sollte nicht allzuviel Wert auf möglichst kleines Gewicht der Kurbelwelle
gelegt werden, vielmehr empfiehlt es sich, die Welle, d: h. namentlich die scheibenförmigen
Kurbelwangen, verhältnismäßig schwer zu bemessen. In solchem Falle macht sich nämlich
die Kreiselwirkung dieser Schwungmassen nach der Richtung geltend, daß das Beharrungsvermögen
der sich drehenden Mässen, ihre Einstellung in die freie Achse beizubehalten, alle
Ungleichheit des Ganges aufnimmt, die durch die vergleichsweise kleinen hin und
her gehenden Massen hervorgerufen werden.
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Die Kreiselwirkung der dicht an der Gestängeebene
liegenden
Kurbelwangen hat aber noch weitere Vorteile. Ein solcher tritt -bei einer plötzlichen
Änderung der Geschwindigkeit ein, wie sie z. B. bei Explosions-Kraftmaschinen sehr
häufig ist. In solchem Falle dämpft die Kreiselwirkung der benachbarten Kurbelwangen
unmittelbar ' die Belastungsstöße. Bei Explosionsmotoren trägt diese Ausbildung
der Kurbelwelle als Kreisel sehr zur Schonung der Zahnräder, des Wechselgetriebes
und anderer Teile bei.
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,'Ein anderer Vorteil der Ersetzung des Schwungrades durch über die
Kurbelwelle verteilte Schwungmassen besteht in der Beseitigung der Verdrehungsschwingungen
der Welle. Nach dem Grundsatz, daß die Kräfte dort aufgenommen werden müssen, wo
sie wirken, wäre es theoretisch am besten, die Schwungmasse bei Kolbenmaschinen
unmittelbar in die Gestängeebene zu legen. Praktisch ist dies natürlich nicht ausführbar.
Vielmehr ist die Anbringung der Schwungmasse neben der Kröpfung zweckmäßig (vgl.
Abb. i). Eine vierfach gekröpfte Welle dieser Art mit Lagerung zwischen jeder Kröpfung
ist schematisch in Abb. q. veranschaulicht. Die einzelnen scheibenförmigen Kurbelwangen
sind bis auf die abgeschnittenen Stellen bei ,d, welche in der vorher beschriebenen
Weise zum Ausgleich der Biegungsbeanspruchungen des Kurbelzapfens dienen, vollkommen
symmetrisch ausgebildet. Soll nur ein Teil der Gesamtschwungmasse in. die
Kurbelwangen gelegt werden, so kann ie Kurbelwelle, wie dies Abb. 5 zeigt, dadurch
kürzer gebaut werden, daß nur ein Zwischenlager bei h angeordnet ist. Bei dieser
Ausführung sind auch die seitlichen Zusatzgewichte e zum Ausgleich der Biegungsbeanspruchungen
neben der Verringerung der Kurbelwangenmasse bei d verwendet worden, um die Biegungsbeanspruchungen
von der Kurbelwange a fernzuhalten und die Masse symmetrisch zur Achse der Kurbelwelle
anzuordnen. An Stelle scheibenförmiger Teilschwungmassen können unter Erreichung
der gleichen Wirkung auch kreuz-oder sternförmige Schwungmassen oder auch solche
in Radform mit Speichen Anwendung finden.
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Die Verwendung einer Kurbelwelle gemäß der Erfindung bringt besonders
bei Explosions-Kraftmaschinen, aber auch bei anderen Kolbenmaschinen, den Vorteil
mit sich, daß sowohl die Erschütterungen in der Maschine selbst als vor allem diejenigen
nach außen hin so gut wie vollständig verschwinden. Wichtig ist diese Wirkung besonders
für Kraftwagenmotoren, Flugzeugmotoren u. dgl., bei denen es nicht möglich ist,
äußere Kräfte der Maschine durch das Fundament aufzunehmen. Die Verwendung einer
Kurbelwelle gemäß der Erfindung gibt diesen Maschinen auf einen Schlag einen sehr
ruhigen, weichen Gang, selbst bei sehr hohen Drehzahlen.