ПРИВОД ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F02B67/06 F01L1/12 F16H7/02 F16H55/48 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к элементам ременного привода газораспределительного механизма (ГРМ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Классическая конструкция привода ГРМ описана, например, в заявке ФРГ N 2113533, кл. F 02 B 67/06, опубл. 02.08.79 г. Привод содержит ведущий вал (коленчатый вал кривошипно-шатунного механизма) с зубчатым колесом и ведомый вал (кулачковый распределительный вал ГРМ) с зубчатым колесом, причем рабочие профили колес взаимосвязаны посредством зубчатого ремня. Зубчатые колеса (или шкивы) выполнены монолитными, с последующей механической обработкой зубчатого венца и ступицы, из металла (известно выполнение их и из полимерного материала), ремень выполнен из полимерного материала (резины) и армирован кордом.

Конструкция таких приводов имеет ряд проблем и недостатков, к которым в первую очередь следует отнести следующие:
- повышенный шум при работе передачи, что обусловлено беспрепятственным генерированием и передачей акустических и вибрационных возбуждающих импульсов в процессе пересопряжения зубьев ремня и шкива, присоединенных близкорасположенных элементов защитных кожухов и других структурных элементов двигателя;
- усложнен процесс замены прошедших своей рабочей ресурс зубчатых колес, поскольку это предусматривает демонтаж колес с валов двигателя и замена их новыми, при одновременном обеспечении контроля установки и регулирования. При этом, как правило, заменяется все колесо, хотя процессу износа подвержен, как правило, только зубчатый венец и достаточно его заменить. Здесь следует отметить и то, что процесс изготовления зубчатых колес включает достаточно многообразных технологических переходов, требует высокоточного оборудования, специальной дорогостоящей оснастки и инструмента.

Из патента России N 2062338, кл. F 02 B 67/06, публ. 20.06.96, бюл. N 17 известен привод вспомогательных агрегатов двигателя внутреннего сгорания, содержащий ведущий и, по крайней мере, один ведомый зубчатые шкивы, сплошной зубчатый ремень, охватывающий зубчатые венцы, элементы шумоглушения, выполненные в виде отверстий, расположенных во впадинах зубьев шкивов, причем отверстия выполнены глухими, глубина их составляет половину ширины ремня, а оси отверстий расположены в центрах впадин зубьев радиально к оси шкива.

Глухие отверстия, не ухудшая эксплуатационные и технологические характеристики привода, выполняют функции классических четвертьволновых акустических резонаторов для подавления излучения звука основной низшей собственной моды колебаний воздушных каналов, образующихся по ширине зубьев в зонах входа и выхода зубьев шкива и ремня из зацепления. Механизм подавления излучения основан на использовании резонатора как сумматора волн противофазных амплитуд вследствие пробега волны по резонатору от зоны соединения с каналом до донышка и обратно на расстояние, равное половине длины волны. На этом основывается механизм подавления излучения свистящего звука вытесняемого воздуха из зон входа и выхода зубьев из зацепления.

Из заявки Японии (JP) N 63-235761, кл. F 16 H 55/48, публ. 20.09.88 известен шкив облегченной конструкции, корпус которого выполнен из синтетической смолы, смешанной со стекловолокном, венец которого снабжен U-образными канавками, облицованными тонким многослойным покрытием, с которым контактирует рабочая поверхность ремня. Покрытие выполнено из кусочков ткани или асбеста, смешанных со смолой в термоактивном состоянии. Материалы шкива и покрытия имеют одинаковые коэффициенты объемного расширения, что обеспечивает нормальную работоспособность конструкции при нагревании шкива силами трения, приводящим его во вращение.

Многослойное покрытие венца шкива не только позволяет улучшить сцепление его с приводным ремнем, но и в некоторой степени обеспечить деформирование структурного шума полимерным материалом с повышенным внутренним трением.

Из заявок Японии по классу F 16 H 55/48 NN 62-390 (B), публ. 07.01.87 и 61-43583 (B) - прототип, публ. 29.09.86 известны шкивы ременной передачи, в частности привода ГРМ, рабочий венец которых выполнен в виде отдельного кольцевого элемента из износостойкой синтетической смолы, неподвижно смонтированного на ободе шкива, посредством выступов в элементе и соответствующих им отверстий в ободе шкива.

Недостатком прототипа является высокий уровень аэродинамического, акустического излучения наиболее распространенного зубчатого привода ГРМ, что обусловлено следующими факторами. Воздух в силу газонепроницаемости плотных структур материалов ремня и венца сжимается в межзубных каналах, образующихся в зонах венца шкива и ремня, входящих или выходящих из зацепления и вытесняется с высокими скоростями через свободные срезы названных каналов. По обеим сторонам этой зоны (ширины зуба - длины канала, открытого с обеих сторон) в процессе вытеснения воздуха образуются вихри. Они возникает потому, что по обе стороны от быстро движущегося потока воздуха давление быстро падает. Падение давления вызывает отсасывание струи с боков, поэтому большая скорость воздуха, выходящего из канала, и турбулентность струи приводят к образованию вихрей. Образование вихрей, их взаимодействие со свободными кромками образованных каналов и прохождение то по одну, то по другую сторону кромки вызывает колебания давления в ближнем объеме воздуха. Волны сжатия-разрежения, образуемые раскачкой столба воздуха в канале вихревыми явлениями на свободных кромках и бегущие вдоль канала, достигая открытого конца канала, встречают бесконечно малый объем воздуха в неограниченном наружном пространстве. Малый объем воздуха, который волна переместит из узкого канала в наружное пространство, не в состоянии повысить давление снаружи и поэтому волна не сможет выйти наружу, а отразившись от открытого конца канала (очень малым потерям энергии), вернется обратно и претерпит те же преобразования. Этот процесс последовательных отражений продолжается со скоростью распространения звуковых волн (-340 м/с при 20^oC). В результате наложения (суперпозиции) бегущих волн в таком канале образуется стоячая волна. При этом вдоль канала укладывается целое число полуволн с минимальными значениями давлений на концах, которые в результате многократного отражения, складываясь, увеличивают амплитуду стоячей волны, что в конечном итоге приводит к акустическому резонансу. При резонансе отраженные волны комбинируются так, что усиливают друг друга. Это так называемая конструктивная, с точки зрения усиления излучения (а не деструктивная) интерференция волн. Резонанс в канале обеспечивает обратную связь и вызывает образование и усиление вихрей точно в такт с резонансной частотой (жестко связанной с длиной канала). В этом случае возникают условия, достаточные для возбуждения упругих (звуковых) волн, распространяемых от источника в неограниченное окружающее пространство.

Одновременно с подробно рассмотренным процессом генерирования звука ГРМ с зубчатым ремнем имеют место и другие механизмы генерирования звука. Например, из-за быстрого изменения воздушного объема каналов и импульсного возбуждения воздушного столба на частоте пересопряжения зубьев эти сравнительно низкочасточные возбуждающие импульсы выводят из состояния равновесия воздушные столбы каналов, колеблющиеся в затухающем режиме на своих собственных частотах, образуя соответствующий высокочастотный свист (писк).

К недостаткам прототипа следует отнести также недостаточную надежность привода в эксплуатации, что связано с тем, что изготовленный из полимерного материала венец, под действием переменных механических (абразивных) и температурных нагрузок со временем существенно теряет свои начальные физико-механические свойства, что в конечном итоге ведет не только к потери прочности, но и к возможному нарушению фаз газораспределения ДВС.

С этой целью в известном приводе газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания, содержащем охваченные зубчатым ремнем 1 ведущий вал 2 с зубчатым колесом 3, и по крайней мере, один ведомый вал 4 с зубчатым колесом 5, причем рабочий профиль, по крайней мере, одного из колес выполнен на кольцевом элемента 6, смонтированном на ободе 7 колеса, названный кольцевой элемент выполнен из металлического газопроницаемого пористого (микропористого) сетчатого или волокнистого шумовибродемпфирующего (далее ШВД) материала. Кольцевой элемент на ободе колеса может быть смонтирован неразъемно, или с возможностью съема (демонтажа с возможностью последующего монтажа). В этом случае в сопрягаемых поверхностях кольцевого элемента и обода выполняются фиксаторы, например, в виде выступов 8 на поверхности одного из обозначенных элементов и соответствующих им пазов 9 на поверхности второго элемента.

При таком конструктивном исполнении, ввиду газопроницаемости, вибродемпфирующим и звукопоглощающим характеристикам кольцевых элементов, сводится к минимуму процесс газодинамического и структурного шумообразования, описанный выше, при набегании и сбегании ветвей ремня на колеса и с колес привода, повышаются эксплуатационные качества привода ГРМ.

Сущность изобретения поясняется на чертеже, где
на фиг. 1 показан привод ГРМ двигателя;
на фиг. 2 показан фрагмент привода, включающий одно из колес с кольцевым элементом, охваченных зубчатым ремнем;
на фиг. 3 и 4 соответственно показаны кольцевой элемент и обод колеса в разобранном виде.

Привод ГРМ ДВС содержит охваченные зубчатым ремнем 1 ведущий вал 2 с зубчатым колесом 3 и ведомый вал 4 с зубчатым колесом 5. Рабочий профиль колес, фиг. 2, выполнен на кольцевом элементе 6, смонтированном на ободе 7 колеса. Кольцевой элемент 6 выполнен из газопроницаемого пористого металлического сетчатого или волокнистого шумовибро-демпфирующего материала. В разобранном варианте фиг. 3 и 4, в сопрягаемых поверхностях кольцевого элемента 6 и обода 7 выполняются фиксаторы, в частности, в виде выступов 8 и соответствующих им пазов 9.

Работает привод ГРМ обычным образом.

Крутящий момент с ведущего вала 2 (коленчатый вал двигателя) передается на зубчатое колесо 3 и через зубчатый ремень 1 на ведомое колесо 5 и ведомый вал 4 (распределительный вал привода клапанов двигателя).

При этом выполнение кольцевого элемента 6, закрепленного на ступице 7 колес 3 и 5 из газопроницаемого металлического пористого ШВД материала, полностью устраняет описанный выше механизм газодинамического возбуждения звука, поскольку между набегающими и сбегающими зубьями элементов 6 и ремня 1 не создается переменное давление воздуха из-за продавливания (утечек) его через пористую, газопроницаемую структуру элементов 6. Одновременно с этим, в силу значительных ШВД, качеств материала, из которых изготовлены элементы 6 (а это преимущественно пористые сетчатые материалы, прессованная металлическая шерсть или металлорезина), сводится к минимуму и вибровозбуждение структуры колеса в целом при импульсном ударном зацеплении зубьев, в особенности при резком изменении режима работы двигателя, т.е. в момент передачи со стороны ремня 1 на колеса 3 и 5 сильных возмущающих импульсов. Более того, сама контактирующая структура кольцевого элемента является шумопоглощающей и таким образом является специфическим глушителем аэродинамического шума зацепления.

В отличие от прототипа, когда образующиеся в зонах пересопряжение зубьев на входах и выходах из зацепления, гладкие каналы переменного сечения сформированы жесткими звукопоражающими поверхностями зубьев колеса и ремня, способствующие образованию интенсивно резонансного излучения звука на низших собственных модах воздушных объемов ограниченных в полостях этих каналов, в заявляемом техническом решении образующиеся поверхности каналов переменного сечения со стороны зубчатого венца сформированы звукопоглощающими газопроницаемыми поверхностями (на 50% площади поверхности), что является мощным шумодемпфирующим фактором, исключающим развитие интенсивных резонансных явлений в образующихся воздушных полостях каналов, вследствие наличия существенных активных (функциональных) потерь (по 50% площади поверхности) для подавления резонансных газодинамических колебаний с уменьшением соответствующего интенсивного звукового излучения. С другой стороны, выполнение внешнего кольцевого элемента с рабочим профилем зубчатого зацепления из волокнистого шумовибродемфирующего материала позволяет ослаблять шумовое излучение от импульсного (ударного) зацепления зубьев ремня и зубчатого колеса за счет сухого трения в процессе микроперемещений структурных волокон, ослабляя таким образом изучение звука зоной входа и выхода из зацепления ремня (как излучателя звука типа акустического диполя), так и дисковой частью зубчатого колеса (вследствие ослабления передачи ударных импульсов от периферии зубьев к ступичной части колеса.

Вместе с этим пористые сетчатые материалы или металлорезина, из которых изготовлены элементы 6, по своим физико-механическим свойствам превосходят полимерные материалы по стабильности в процессе длительной эксплуатации, выдерживают высокие температурные нагрузки, обладают лучшей вентилируемостью и более эффективным теплоотводом.

Указанные свойства обеспечиваются волокнистой структурой металлического материала, обладающей известными феноменальными характеристиками.

Технология изготовления деталей из таких материалов хорошо освоена мировой авиакосмической промышленностью, она обладает экологической чистотой, легко подвергается переработке, и безотходна.

Кольцевые элементы 6 на ободе 7 могут быть смонтированы неразъемно, например, путем специального прессования, или разъемно, как это показано на фиг. 3 и 4, при этом фиксация элементов 6 на ободе 7 осуществляется одним из известных технологических приемов, например, путем шлицевого соединения, включающего выполнение выступов 8 на элементах 6 и пазов 9 на ободе 7.

При таком конструктивном исполнении на одном ободе 7 можно монтировать элементы 6 с различной формой рабочего профиля, что является немаловажным обстоятельством с точки зрения унификации в массовом производстве.

Изобретение относится к элементам ременного привода газораспределительного механизма (ГРМ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Цель изобретения - снижение шума привода, повышение надежности и ресурса в эксплуатации. Привод ГРМ ДВС содержит охваченные зубчатым ремнем 1 ведущий вал 2 с зубчатым колесом 3 и по крайней мере один ведомый вал 4 с зубчатым колесом 5, причем рабочий профиль по крайней мере одного из колес выполнен на кольцевом элементе 6, смонтированном на ободе 7 колеса. Отличительной особенностью является то, что кольцевые элементы 6 выполняются из структуры металлического газопроницаемого пористого сетчатого или волокнистого шумовибродемпфирующего материала. Возможен съемный монтаж кольцевого элемента 6 на ободе 7, для чего в сопрягаемых поверхностях элементов 6 и 7 образовано шлицевое соединение. В основном привод предназначен для двигателей легковых автомобилей с улучшенными акустическими качествами. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Привод газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания, содержащий охваченные зубчатым ремнем ведущий вал с зубчатым колесом и по крайней мере один ведомый вал с зубчатым колесом, причем рабочий профиль по крайней мере одного из колес выполнен в виде кольцевого элемента, смонтированного на ободе колеса, отличающийся тем, что кольцевой элемент выполнен из структуры металлического газопроницаемого пористого шумовибродемпфирующего материала. 2. Привод по п.1, отличающийся тем, что кольцевой элемент съемно смонтирован на ободе колеса. 3. Привод по пп.1 и 2, отличающийся тем, что кольцевой элемент выполнен из структуры пористого сетчатого материала. 4. Привод по пп.1 и 2, отличающийся тем, что кольцевой элемент выполнен из металлорезины.