СОЕДИНЕНИЕ ДВИГАТЕЛЯ И ШЕСТЕРЕННОГО ПРИВОДА И ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК F01L1/34 

Изобретение относится к соединениям двигателя и шестеренного привода.

В двигателях внутреннего сгорания большое количество различных компонентов, включая вспомогательные устройства, приводится в действие от коленчатого вала, причем в настоящее время привод обычно осуществляется посредством ремня или цепи (для удобства называемые ремнем) от звездочки коленчатого вала от ведущего колеса. Некоторые из этих компонентов, такие как распределительные валы и насосы для впрыскивания топлива (для дизеля или двигателя с впрыскиванием топлива), называются низкоскоростными компонентами, поскольку они приводятся в действием со скоростями, меньшими скорости коленчатого вала, а точнее, с половиной его скорости в случае четырехтактного двигателя, в то время как другие, например водяной насос и генератор переменного тока, являются высокоскоростными компонентами, приводимыми со скоростью выше скорости коленчатого вала. Эти различные требования в отношении скорости обуславливают необходимость наличия двух отдельных приводных ременных систем - одной для низкоскоростных компонентов и другой для высокоскоростных компонентов, поскольку приводная звездочка коленчатого вала или шестерня для низкоскоростной системы, которые должны быть относительно небольшими, неприемлемы для высокоскоростной системы.

Использование двух распределительных систем приводит к увеличению длины двигателя, делая его менее компактным, при этом возникают дополнительные требования по техническому обслуживанию, поскольку натяжение каждой ременной системы должно регулироваться индивидуально. В конце концов может возникнуть необходимость в замене обоих ремней. Ремень, работающий на малой скорости, может иметь натяжное устройство, в то время как генератор переменного тока, приводимый высокоскоростным ремнем, может перемещаться для натяжения этого ремня.

Кроме того, снижение скорости распределительного вала двигателя означает, что необходимы относительно большие приводные шестерни (или звездочки) распределительного вала, а это приводит к увеличению высоты двигателя (для конструкции с верхним расположением распределительного вала), вызывая возможные проблемы при монтаже двигателя под капотом. Проблема может частично снята изменением углов клапанов, однако это может неблагоприятно отразиться на эксплуатационных характеристиках двигателя.

Имеющиеся к настоящему времени двигатели действуют при определенной регулировке клапанов (фиксированной) по времени и с синхронизацией впрыска топлива относительно базового отсчета работы коленчатого вала. Однако это не приводит к оптимальным эксплуатационным характеристикам двигателя в его работе в диапазоне различных рабочих и нагрузочных условий. Ранее делались предложения в отношении фазовой регулировки для обеспечения такой синхронизации при работе двигателя, но они оказались сложными и/или неэффективными.

Задача изобретения заключается в создании соединения двигателя и шестеренного привода, которое позволяет устранить указанные недостатки.

Согласно одному из аспектов изобретения создано соединение двигателя и шестеренного привода, включающее шестеренное устройство для компонента двигателя, приводимое в действие приводной системой от приводного вала двигателя. Это устройство предназначено для размещения в приводной системе, причем средства для шестеренного устройства расположен вблизи от упомянутого компонента. Шестеренное устройство, содержащее входной элемент, приводимый приводным валом двигателя, и выходной элемент, подсоединенный к ведомому валу компонента, служит для обеспечения ступенчатой приводной скорости между входным и выходным элементами, при этом один из указанных элементов (входной или выходной) содержит узел с солнечной шестерней, в то время как другой элемент - шестерню с внутренним зацеплением. Узел с солнечной шестерней и шестерня с внутренним зацеплением соединены планетарными шестернями, установленными на опоре планетарных шестерен. Опора планетарных шестерен имеет средство управления, включающее рычаг для обеспечения угловой регулировки между узлом с солнечной шестерней и шестерней с внутренним зацеплением. Рычаг соединен с опорой планетарных шестерен, и угловое регулирование между узлом с солнечной шестерней и шестерней с внутренним зацеплением осуществляется посредством перемещения рычага в направлении по нормали к оси вращения опоры планетарных шестерен.

Предпочтителен вариант, когда привод действует со ступенчатым понижением.

В предпочтительном варианте опора планетарных шестерен устанавливается на втулке, идущей концентрично с приводным валом компонента и от этого компонента.

Предпочтительно, чтобы работа рычага осуществлялась воспринимающими средствами, реагирующими на рабочие параметры двигателя.

Предпочтительно, чтобы шестерня внутреннего зацепления содержала ступицу, имеющую радиальный элемент, к которому крепится эта шестерня, при этом ступица должна быть приспособлена для крепления к приводному валу компонента. Как вариант, шестерня внутреннего зацепления может крепиться к радиальному элементу заодно с упомянутым приводным валом компонента.

Предпочтительно, чтобы шестеренное устройство располагалось так, чтобы рычаг управляющих средств соединялся с опорой планетарных шестерен вблизи от передней части шестеренного устройства.

Предпочтительно, чтобы рычаг управляющих средств подсоединялся к втулке опоры планетарных шестерен.

Изобретение также включает соединение двигателя и шестеренного привода, в котором двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания.

Согласно другому аспекту изобретения двигатель внутреннего сгорания, содержащей определенное количество низкоскоростных компонентов, включающих по меньшей мере распределительный вал или насос для впрыскивания топлива, и определенное количество высокоскоростных компонентов двигателя, имеющих по меньшей мере водяной насос или генератор переменного тока. При этом все компоненты приводятся от приводного вала двигателя через одиночное ременное приводное средство, а каждый из низкоскоростных или высокоскоростных компонентов обеспечивается дополнительным шестеренным устройством для изменения его входной скорости относительно той, которая передана ременным приводным средством.

На фиг. 1 схематично изображено шестеренное устройство переменного распределения, при его применении к двигателю, вид сбоку, разрез; на фиг. 2 - шестеренное устройство, вид спереди; на фиг. 3 - шестеренное устройство при его применении к распределительному валу двигателя, вид сбоку; на фиг. 4 - насос для впрыскивания топлива, предназначенный для двигателя внутреннего сгорания, обеспеченного шестеренным устройством, по изобретению, вид сбоку; на фиг. 5 - двигатель внутреннего сгорания с установленным на нем топливным насосом (фиг. 4), вид спереди; на фиг. 6 известный двигатель, подробно показанный на фиг. 5, вид спереди; на фиг. 7 - схематически известный двигатель внутреннего сгорания с распределительными ременными приводами, вид спереди; на фиг. 8 - то же, но с использованием устройств по изобретению; на фиг. 9 и 10 - то же, что и двигатели, изображенные на фиг. 7 и 8, но для V-образного двигателя; на фиг. 11 - головка цилиндра известного двигателя внутреннего сгорания со сдвоенным распределительным валом верхнего распределения, вид спереди; на фиг. 12 - то же, что и на фиг. 11, но для компактного двигателя внутреннего сгорания.

Шестеренное устройство переменного распределения выполнено для компонентов двигателя внутреннего сгорания, в частности для насоса, предназначенного для впрыскивания топлива, либо для распределительного вала двигателя для синхронизации клапанов, и служит для обеспечения понижающей передачи.

Устройство содержит простой планетарный привод 1, проводящий приводной вал 2A компонента, так что устройство G лежит вблизи от стенки 2 корпуса компонента. При этом планетарный привод 1 приводится распределительными шестернями, установленными на передней части двигателя (на фиг. 1-12 не показан) и заключенными в уплотненный картер 20 привода распределительного механизма.

Привод к валу 2A осуществляется через узел 3 с солнечной шестерней, который содержит наружную приводную шестерню 4, внутреннюю шестерню 5 и пружинные кольца 6 и 7 для удержания шестерни 5 в ее надлежащем осевом положении. Как вариант, узел с солнечной шестерней может иметь выполненную в одном блоке конструкцию с наружной и внутренней шестерней, причем в этом случае пружинные кольца не требуются.

Узел 3 с солнечной шестерней, который удерживается подшипниками 8, приводит в движение планетарные шестерни 9, установленные на опоре 10. Передача движения валу 2A осуществляется шестерней 11 с внутренним зацеплением, прикрепленной к валу 2A и приводимой планетарными шестернями 9.

Опора 10 включает втулку 10A, которая устанавливается на шестерне с внутренним зацеплением и удерживается подшипниками 12. Опора 10 устанавливается в определенном положении в осевом направлении пружинными кольцами 13 рычага 14 и упорной шайбой 15.

Шестерня 11 с внутренним зацеплением состоит из внутренней ступицы 16, имеющей радиальную стенку 16A с насаженой в горячем состоянии коронной шестерней 17. Шестерня с внутренним зацеплением крепится болтами непосредственно к валу 2A гайкой 18. При этом между ступицей 16 и валом 2A установлена шпонка 18A.

Угловой взаимосвязью от вала 2A к валу 3 с солнечной шестерней можно манипулировать с помощью регулировочного рычага 14, который крепится к втулке 10A опоры.

Приведение в действие рычага 14 может осуществляться любым приемлемым устройством, например пневматическим или гидравлическим приводным устройством, либо электрическим линейным приводным устройством 19, (фиг. 5), находящимся в управляющем устройстве. При неподвижной опоре 10 (фиг. 2) будут иметь место прямое уменьшение скорости (понижающая ступень) между узлом 3 с солнечной шестерней и шестерней 11 с внутренним зацеплением. При этом указатели I_S и I_A отсчета для солнечной шестерни и шестерни внутреннего зацепления будут совпадать, причем указатель I_S будет точно установлен по отношению к началу отсчета, касающемуся коленчатого вала. Однако, если выбранное движение передается рычагу 14, создавая движение опоры 10, шестерня 11 внутреннего зацепления будет вынуждена опережать (α_L) узел 3 с солнечной шестерней или отставать (α_R) от него на небольшую (желаемую) величину в зависимости от направления колебания рычага 14. Рычаг 14 может совершать колебательные движения на угол до 90^o, но обычно достаточен угол порядка 10^o.

На фиг. 3 изображено шестеренное устройство G, изображенное на фиг. 1, применительно к распределительному валу 21 двигателя. Радиальная стенка 16A шестерни 11 внутреннего зацепления выполнена заодно с распределительным валом 21, а стенка 16A располагается вблизи от опорного блока 22 распределительного вала, установленного на головке цилиндра двигателя (на фиг. не показана).

Смазочное масло для планетарной передачи 1 забирается из продольного канала 23 распределительного вала через каналы 24 и 25 (привод на фиг. 3 показан линиями с толстыми стрелками).

Выбранное регулирование синхронизации клапанов с помощью кулачкового вала рычага 14 позволяет двигателю приблизиться к оптимальным эксплуатационным характеристикам в течение его работы при различных условиях нагружения и эксплуатации.

На фиг. 4 изображено шестеренное устройство G, установленное на топливном насосе 26 дизельного двигателя, при этом расположение насоса 26 на двигателе E показано на фиг. 5. В этом случае шестерня G выполняется в точном соответствии с фиг. 1, при этом ступица 16 жестко крепится непосредственно на внешней укороченной части 27 вала насоса, так что шестерня располагается вблизи от концевой стенки 28 корпуса насоса. Смазка может подаваться к планетарной передаче 1 через впускное отверстие 29 и канал 30.

Положение рычага 14 контролируется электрическим линейным приводным устройством 19 (фиг. 5), подсоединенным к крышке 20 картера распределения. Привод подсоединен к "черному ящику" и питается энергией от батареи самоходного транспортного средства.

Привод 19 обеспечивает требуемое расположение рычага 14, допускающее его качание на угол до 90^o.

"Черный ящик" контролирует определенное количество рабочих параметров двигателя и подает сигнал к электрическому приводному устройству 19 для изменения распределения подачи топлива, так чтобы она соответствовала желаемым рабочим условиям.

Устройство обеспечивает точное управление взаимосвязью по углу между коленчатым валом двигателя и топливным насосом 26.

Этот насос 26 обладает определенной восприимчивостью при подаче топлива к инжекторным распылителям. При отсутствии определенной формы устройства управления распределением взаимосвязь между коленчатым валом двигателя и моментом, когда топливо впрыскивается в камеру сгорания, точно зависит от гидромеханических характеристик топливной системы.

Введением этого распределительного устройства G становится возможным оптимизировать момент впрыска в отношении многих параметров, например, скорости, нагрузки, температуры воздуха, температуры воды, положения дроссельной заслонки и т.д. Тем самым обеспечивается возможность получения улучшенных эксплуатационных характеристик двигателя.

Благодаря понижающему передаточному отношению, обеспечиваемому планетарной передачей 1, входная шестерня (4) насоса 26 может иметь меньший размер (например, 34 зуба) по сравнению с известным шестеренным устройством, (фиг. 6), где входная шестерня P1 имеет 56 зубьев. Этим обеспечивается уменьшение общей ширины двигателя. На фиг. 5 и 6 показана шестерня K коленчатого вала, приводящего в движение входную шестерню насоса 26 через паразитную шестерню.

При управлении распределением через втулку 10A опоры с управляющим рычагом 14, идущим вниз параллельно двигателю, общий диаметр шестеренного устройства G может оставаться минимальным. Благодаря этому создается компактное устройство. Рычаг 14 располагается вблизи передней части планетарной передачи 1.

Использование устройств с переменной скоростью, предназначенных для компонентов двигателя, может обеспечить существенное усовершенствование компоновки двигателя.

Тот факт, что имеется ступенчатое понижение скорости от входа привода у узла 3 с солнечной шестерней к шестерне 11 с внутренним зацеплением, подсоединенной к валу топливного насоса к распределительному валу, обеспечивает возможность упрощения основной композиции переднего конца двигателя - ремня/шестерни/цепи.

На фиг. 7 и 8 изображен двигатель, имеющий одинарный распределительный вал верхнего расположения и насос для впрыска топлива, причем оба с изменяемым распределением, плюс привод генератора переменного тока и водяного насоса.

Обычно имеется в наличии один приводной ремень или система 31 для привода низкоскоростных компонентов, таких как насос 26 для впрыска топлива, и распределительные валы 21, которые действуют на скорости, составляющие половины скорости двигателя. Другая приводная система 32 для высокоскоростных компонентов, например генераторов переменного тока 33 и водяных насосов 34, которые работают на скоростях выше скорости двигателя, при этом привод осуществляется от шкивов или звездочек K₁, K₂ коленчатого вала.

Из фиг. 7 видно, что шкив/шестерня/звездочка и т.д. коленчатого вала должны иметь небольшой диаметр для того, чтобы шкив/звездочка распределительного вала или топливного насоса имели приемлемые размеры. Четырехтактный двигатель, распределительный вал и топливный насос действуют со скоростями, составляющими половину скорости коленчатого вала.

Недостатки, обусловленные небольшим размером шкива K₁ коленчатого вала, заключаются в том, что ограничивается способность привода в движение большего количества компонентов, а скорость ремня/цепи весьма низка для привода высокоскоростных компонентов.

Таким образом можно иметь дополнительную приводную систему 32, в которой генератор 33 переменного тока служит в качестве натяжного устройства.

Подобная компоновка с устройствами переменного распределения позволяет увеличить шкив K₁ коленчатого вала, так что все компоненты могут приводиться одной приводной системой 31A (фиг. 8). Хотя в этом случае приводной шкив/звездочка 4 топливного насоса и распределительного вала будет действовать со значительно большей скоростью, надлежащее передаточное отношение 1:2 получается благодаря оборудованию для понижения передачи внутри устройства переменного распределения, выполненного у этих компонентов.

При применении системы с одним приводом (фиг. 8) требуется только одно натяжное устройство. Генератор 33 переменного тока может быть жестко закреплен, чем обеспечивается возможность его расположения ближе к блоку E цилиндров двигателя. При этом имеет место небольшое увеличение диаметра приводного шкива/звездочки 4 насоса для впрыскивания топлива и распределительного вала по сравнению с обычной компоновкой (фиг. 7 и 8).

При применении приводной системы 31A длина двигателя может быть уменьшена, что обеспечивает преимущество при установке двигателя внутри транспортного средства. При этом также можно избежать сложностей, обусловленных наличием двух приводных систем, когда требуется обслуживание двух систем натяжения вместо одной.

Преимущества применения устройства переменного распределения G в V-образным двигателе, показана на фиг. 9 и 10.

При применении привода сдвоенного распределительного вала верхнего расположения распределительные валы расположены так, как показано на фиг. 11. Центры распределительного вала определяются диаметром приводных шкивов/звездочек 4', которые примыкают к ним. В свою очередь, для четырехтактного двигателя диаметр шкивов/звездочек 4' фиксируется на удвоенном диаметре шкива/звездочки K коленчатого вала. Высота двигателя обычно определяется диаметром этих шкива/звездочек 4'.

Такая же компоновка при использовании устройства G переменного распределения, прикрепленного к обоим распределительным валам 21, может обеспечить уменьшение диаметра приводных шкивов/звездочек 4' распределительного вала (фиг. 12). Хотя это и означало бы, что приводные шкивы/звездочки 4 распределительного вала будут работать при более высокой скорости. Надлежащее отношение скорости распределительного вала к скорости коленчатого вала 1:2 восстанавливается устройством ступенчатого понижения скорости внутри устройства G переменного распределения.

Из фиг. 11 и 12 видно, что центры распределительного вала могут быть укорочены, если это желательно, и полная огибающая/высота двигателя может быть уменьшена на размеры H и W (фиг. 11 и 12).

Уменьшением центров распределительного вала достигается большая гибкость в установлении наклона впускных и выпускных клапанов, что приводит к улучшению эксплуатационных характеристик двигателя. Уменьшение высоты двигателя расширяет возможности выбора места для него, в частности для пассажирского автомобиля при установке с зазором под капотом.

Возможно обойтись без угловой фазой регулировки, выполняемой в устройствах переменного распределения рычагом 14 (фиг. 8, 10, 12).

Как вариант, представляется возможным иметь повышающие переменные шестеренные устройства у высокоскоростных компонентов вместо понижающий устройств у низкоскоростных компонентов при наличии только одной приводной системы (ременной). Это может быть достигнуто в планетарной передаче 1 благодаря использованию шестерни 11 внутреннего зацепления в качестве входа и узла 3 с солнечной шестерней в качестве выхода. Фактическое изменение скорости, получаемое от шестерни 1, может быть выбрано соответствующим образом, причем для некоторых компонентов, например нагнетателей, может потребоваться более высокая повышающая ступенчатая передача.

Изобретение предназначено для установки на двигатель внутреннего сгорания и может быть использовано для привода различных высоко- и низкоскоростных компонентов от вала двигателя. Шестеренный привод содержит планетарный или дефференциальный шестеренный механизм, вход которого соединен с приводным валом двигателя, а выход подсоединен к ведомому валу компонента. Устройство обеспечивает возможность изменения приводной скорости между входом и выходом. Устройство может включать средство для изменения взаимосвязи по фазе между приводным валом двигателя и ведомым валом компонента. 12 ил.

1. Соединение двигателя и шестеренного привода, включающее шестеренное устройство для компонента двигателя, приводимого приводной системой от приводного вала двигателя, указанное шестеренное устройство приспособлено для размещения в системе и имеется приспособление для расположения шестеренного устройства вблизи от компонента, при этом шестеренное устройство содержит входной элемент, приводимый от приводного вала двигателя, и выходной элемент, подсоединенный к приводному валу компонента, шестеренное устройство выполнено с возможностью обеспечения ступенчатой приводной скорости между входным и выходным элементами, один из элементов, входной или выходной, содержит узел с солнечной шестерней, в то время как другой элемент содержит шестерню с внутренним зацеплением, узел с солнечной шестерней и шестерня с внутренним зацеплением соединены планетарными шестернями, установленными на опоре планетарных шестерен, опора планетарных шестерен имеет управляющее средство, включающее в себя рычаг для обеспечения углового регулирования между узлом с солнечной шестерней и шестерней с внутренним зацеплением, отличающееся тем, что рычаг подсоединен непосредственно к опоре планетарных шестерен и угловое регулирование между узлом с солнечной шестерней и шестерней с внутренним зацеплением осуществляется путем перемещения рычага в направлении по нормали к оси вращения опоры планетарных шестерен. 2. Соединение двигателя и шестеренного привода по п.1, отличающееся тем, что шестеренное устройство выполнено с возможностью обеспечения ступенчатого понижения. 3. Соединение двигателя и шестеренного привода по п.1 или 2, отличающееся тем, что опора планетарных шестерен установлена на втулке, идущей концентрично с приводным валом компонента и от этого компонента. 4. Соединение двигателя и шестеренного привода по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что оно содержит воспринимающие средства, реагирующие на рабочие параметры двигателя для работы рычага. 5. Соединение двигателя и шестеренного привода по любому из пп.1 - 4, отличающееся тем, что шестерня с внутренним зацеплением содержит ступицу, имеющую радиальный элемент, к которому крепится эта шестерня, при этом ступица предназначена для крепления к приводному валу компонента. 6. Соединение двигателя и шестеренного привода по пп.1 - 4, отличающееся тем, что шестерня внутреннего зацепления прикреплена к радиальному элементу заодно с приводным валом компонента. 7. Соединение двигателя и шестеренного привода по любому из пп.1 - 6, отличающееся тем, что шестеренное устройство расположено таким образом, что рычаг управляющих средств соединен с опорой планетарных шестерен вблизи от передней части шестеренного устройства. 8. Соединение двигателя и шестеренного привода по п.7, отличающееся тем, что рычаг управляющих средств подсоединен к втулке опоры планетарных шестерен. 9. Соединение двигателя и шестеренного привода по любому из пп.1 - 8, отличающееся тем, что двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания. 10. Соединение двигателя и шестеренного привода по п.9, отличающееся тем, что компонентом двигателя, к которому подсоединено шестеренное устройство, является топливный насос. 11. Двигатель внутреннего сгорания, включающий в себя определенное количество низкоскоростных компонентов, включая распределительный вал и насос для впрыскивания топлива, а также определенное количество высокоскоростных компонентов двигателя, включая водяной насос и генератор переменного тока, при этом для привода всех упомянутых компонентов от приводного вала двигателя предусмотрено одинарное ременное приводное средство, отличающийся тем, что каждый из низкоскоростных компонентов либо каждый из высокоскоростных компонентов снабжен дополнительным шестеренным устройством (G) для изменения их входной скорости относительно той, которая сообщается ременным приводным средством. 12. Двигатель внутреннего сгорания по п.11, отличающийся тем, что шестеренное устройство (G) содержит входной элемент, приводимый от приводного вала двигателя, и выходной элемент, подсоединенный к приводному валу компонента, при этом шестеренное устройство приспособлено для обеспечения ступенчатой приводной скорости между входным и выходным элементами, причем один из упомянутых элементов, входной или выходной, содержит узел с солнечной шестерней, в то время как другой компонент содержит шестерню с внутренним зацеплением, при этом узел с солнечной шестерней и шестерня с внутренним зацеплением соединены планетарными шестернями, установленными на опоре планетарных шестерен. 13. Двигатель внутреннего сгорания по п.12, отличающийся тем, что опора планетарных шестерен шестеренного устройства имеет управляющее средство, включающее в себя рычаг для обеспечения угловой регулировки между узлом с солнечной шестерней и шестерней с внутренним зацеплением, где рычаг подсоединен к опоре планетарных шестерен, а угловая регулировка между узлом с солнечной шестерней и шестерней с внутренним зацеплением осуществляется перемещением рычага в направлении по нормали к оси вращения опоры планетарных шестерен.