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Über dieses Buch

Am Anfang der über 100jährigen Entwicklungsgeschichte der Verbrennungskraftmaschine waren die Torsionsschwingungen der Kurbelwelle zunächst eine unbekannte Schwingungserscheinung . Ausgelöst wurde die Entdeckung der Torsionsschwingungen erst durch die Kurbelwellenbrüche von 6-Zylinder-Reihenmotoren, die am Anfang dieses Jahrhunderts zum Antrieb von Marinefahr­ zeugen verwendet und mit relativ hoher Kolbengeschwindigkeit gefahren wurden. Die Erkenntnis, daß diese Kurbelwellenbrüche keine Gewaltbrüche, sondern Überschreitungen der von WOEHLER erkannten Dauerwechselfestigkeit des Materials gegenüber Torsion waren, führte zu der Ent­ wicklung der Grundlagen der Torsionsschwingungstheorie . Mit Hilfe dieser Theorie konnten die gefährlichen Resonanzdreh.;ahlen der Torsionsschwingungen der Kurbelwellen vorausberechnet und die Auswirkungen von Maßnahmen zur Begrenzung der Torsionsbeanspruchung abgeschätzt werden. Ohne diese theoretischen Erkenntnisse wäre das Torsionsschwingungsproblem unlösbar geblieben, und die Entwicklung des modernen hochaufgeladenen Dieselmotors großer Zylinderzahl wäre unmöglich gewesen. Das nunmehr schon seit mehr als 60 Jahren bekannte Berechnungsmodell zur Untersuchung der Torsionsschwingungen von Kurbelwellen wird in etwas modifizierter Form auch heute noch ver­ wendet. Die volle Nutzung dieses Modells ist jedoch wegen des enormen Berechnungsaufwands erst seit der Verwendung programmgesteuerter elektronischer Rechenmaschinen möglich. Der vorliegende Band 4 der Neuen Folge der Reihe "Die Verbrennungskraftmaschine", unter den Her­ ausgebern LIST/PISCHINGER, behandelt das Torsionsschwingungsproblem des Motortriebwerks in bisher unbekannter Vollständigkeit. Die Torsionsschwingungen der Kurbelwellen werden heute sowohl in der Industrie als auch an den Hochschulen ausschließlich mit Hilfe der EDV berechnet. Deshalb enthält der Band 4 weit mehr FORTRAN-Programme als die beiden vorhergehenden Bände 2 und 3, wobei der FORTRAN-Code auch als Hilfsmittel zur Definition von Algorithmen verwendet wird.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung

Zusammenfassung
Der 2. Band [1] der Neuen Folge „Die Verbrennungskraftmaschine“ enthält die Grundlagen zur Berechnung der Schwingungserregung der Torsionsschwingungen. Im 3. Band [2] werden die zum Verständnis der Torsionsschwingungen des Motortriebwerks notwendigen Grundlagen behandelt. Deshalb muß häufig auf den Inhalt des 3. Bandes und gelegentlich auch auf den Inhalt des 2. Bandes zurückverwiesen werden. Zur Vereinfachung werden alle Referenzen auf diese Bände durch die vorgesetzte Zeichenfolge 2/ oder 3/ gekennzeichnet. Nach dieser Kegel ist z.B.
  • 2/(5.33) Referenz auf die Formel (5.33) des 2. Bandes
  • 2/Abb. 9.3 Referenz auf die Abb. 9.3 des 2. Bandes
  • 2/Tab. 4K Referenz auf die Tabelle 4K des 2. Bandes
  • 2/H03 01 Referenz auf das Programm H0301 in Band 2
  • 3/P-Liste 15 Referenz auf die Programmliste 15 des 3. Bandes
  • 3/Kapitel 10 Referenz auf Kapitel 10 von Band 3.
Karl Ernst Hafner, Harald Maass

2. Parameter des Torsionsschwingungsmodells der Kurbelwelle

Zusammenfassung
Das Ziel dieses Kapitels ist die Ermittlung der Massenträgheitsmomente, Torsionssteifigkeiten und Dämpfungskoeffizienten, die zusammen die Parameter der in 3/Kapitel 10 behandelten Torsionsschwingungssysteme bilden.
Karl Ernst Hafner, Harald Maass

3. Erregung der Torsionsschwingungen

Zusammenfassung
Die Ermittlung der Kräfte und Momente, die vom Motortriebwerk auf das Kurbelgehäuse über- tragen werden, und die Untersuchung ihrer Auswirkung ist das Hauptthema von Band 2 [l] dieser Buchreihe. Dort wird die Schwingungserregung für die Schwingungen des Motors auf seinem Fundament — die bei einer elastischen Lagerung besonders deutlich in Erscheinung treten – ausführlich behandelt. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Schwingungserregung ist das Drehmoment Mx, das von allen Motorzylindern durch die Kolbenseitenkräfte FN nach Abb. 3.1 erzeugt wird.
Karl Ernst Hafner, Harald Maass

4. Berechnung der Eigenfrequenzen und Eigenschwingungsformen von Torsionsschwingungssystemen

Zusammenfassung
Dieses Kapitel befaßt sich mit dem sogenannten Eigenwertproblemder Torsionsschwingungen. Damit bezeichnet man die Frage nach den Eigenfrequenzen und Eigenschwingungsformen von ungedämpften Torsionsschwingungssystemen. Behandelt werden die für die Triebwerks und Anlagenschwingungen maßgebenden Systeme, deren Struktur bereits in 3/Kapitel 10.5 analysiert wurde. Benötigt werden diese Eigenfrequenzen einmal zur Ermittlung der Resonanzdrehzahlen der Motoren, in deren Umgebung die erzwungenen Torsionsschwingungen ihre Größtwerte erreichen. Zum anderen können mit Hilfe der Eigenschwingungsformen des ungedämpften Systems die erzwungenen Torsionsschwingungen des Motortriebwerks im Resonanzzustand näherungsweise mit den im Kapitel 5 beschriebenen Methoden berechnet werden, sofern das System schwach gedämpft ist. Diese Bedingung ist bei Motoren ohne Schwingungsdämpfer erfüllt; das beweisen die hohen Aufschaukelungsfaktoren der Tabelle in Abb. 2.77.
Karl Ernst Hafner, Harald Maass

5. Bewertung der Resonanzdrehzahlen der Torsionsschwingungen von Kurbelwellen

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die durch eine Harmonische der Gas- und Massenkräfte des Motortriebwerks in den Resonanzdrehzahlen erzwungenen Schwingungsamplituden der Torsionsschwingungen der Kurbelwelle näherungsweise berechnet. Die Grundlage dieses Berechnungsverfahrens ist eine Energiebilanz, bei der die Eigenschwingungsform benützt wird. Die heute allgemein für technische Berechnungen verfügbaren elektronischen Rechenmaschinen ermöglichen jedoch die exakte Berechnung der erzwungenen Torsionsschwingungen für jeden beliebigen Betriebszustand des Motors unter Beachtung aller maßgebenden Harmonischen der Schwingungserregung, die im Kapitel 6 beschrieben wird. Dadurch hat die in diesem Kapitel entwickelte Näherungsmethode nicht mehr die Bedeutung, die sie vor der Verfügbarkeit der elektronischen Rechenmaschinen besaß. Trotzdem ist sie auch heute noch nützlich bei der Ermittlung der Motordämpfung aus den Ergebnissen von Schwingungsmessungen. Außerdem kann die extrem unterschiedliche Gefährlichkeit der Resonanzdrehzahlen mit Hilfe der in diesem Kapitel ausgeführten Energiebetrachtung erklärt werden. Deshalb kann man sowohl aus historischen als auch aus didaktischen Gründen auf die Darstellung dieser Berechnungsmethode nicht verzichten, obgleich sie als Methode zur Berechnung der Torsionsbeanspruchung der Kurbelwelle überholt und nur sehr begrenzt anwendbar ist.
Karl Ernst Hafner, Harald Maass

6. Berechnung der durch Gas- und Massenkräfte des Motortriebwerks erzwungenen periodischen Torsionsschwingungen

Zusammenfassung
Dieses Kapitel befaßt sich mit der Berechnung der Torsionsschwingungen, die bei einem stationären Betrieb des Motors durch die periodischen Gas- und Massenkräfte erzwungen werden. Das für den Festigkeitsnachweis der Kurbelwelle wesentliche Ergebnis dieser Berechnungen sind die Torsionsmomente, die zusammen mit den Biegemomenten eine Wechselbeanspruchung der Kurbelwelle verursachen, die unterhalb der zulässigen Dauerwechselbeanspruchung des Materials liegen muß. Bei der heute üblichen Berechnungsmethode von Kurbelwellen werden die Biegemomente mit Hilfe der Statik oder der Elastostatik unter der Annahme berechnet, daß keine dynamische Aufschaukelung stattfindet. Die Torsionsmomente dagegen werden dynamisch als periodische Lösungen der linearisierten Bewegungsgleichungen 3/(10.31) ermittelt, in denen die periodischen Schwankungsanteile der Massendrehmomente des Motortriebwerks durch den im Kapitel 2.1 behandelten Massenzuschlag und durch die im Kapitel 3.3 abgeleitete Massenkrafterregung berücksichtigt werden.
Karl Ernst Hafner, Harald Maass

7. Einfluß der periodischen Schwankungen der Massenträgheitsmomente auf die erzwungenen Torsionsschwingungen der Kurbelwelle

Zusammenfassung
Die Grundlage für die Theorie der Torsionsschwingungen der Kurbelwelle bilden die Differential-gleichungen 3/(10.30), die infolge der Trägheitswirkung der oszillierenden Triebwerksmassen periodische Funktionen als Koeffizienten enthalten. Diese periodischen Koeffizienten erhöhen den Aufwand für die Lösung der Differentialgleichungen erheblich. Deshalb werden an Stelle der Differentialgleichungen 3/(10.30) bei der praktischen Torsionsschwingungsberechnung die Differentialgleichungen 3/(10.31) verwendet, bei denen die periodischen Massenträgheitsmomente durch ihre Mittelwerte ersetzt werden und die Trägheitswirkung der oszillierenden Massen allein durch den Massenkraftanteil der Schwingungserregung berücksichtigt wird. Diese schon seit den Anfängen der Torsionsschwingungsberechnung praktizierte vereinfachte Berechnungsmethode hat immer wieder die Frage nach ihrer Zulässigkeit veranlaßt.
Karl Ernst Hafner, Harald Maass

8. Ermittlung und Begrenzung der Torsionsbeanspruchung von Kurbelwellen

Zusammenfassung
Mit Hilfe von Beispielen werden in diesem Kapitel die Berechnung der Torsionsbeanspruchung der Kurbelwellen von Kolbenmotoren und die zu ihrer Begrenzung möglichen Maßnahmen vorgeführt. Dabei werden die in den vorhergehenden Kapiteln behandelten Berechnungsmethoden angewandt.
Karl Ernst Hafner, Harald Maass

Backmatter

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