ЦЕПНОЙ ПРИВОД ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F02B67/06 F16H7/00 F02B77/13 

Изобретение относится к машиностроению, в частности двигателестроению, а именно к механизмам привода газораспределения /ГРМ/ и привода вспомогательных агрегатов /масляного насоса, водяного насоса и т.п./ двигателей внутреннего сгорания /ДВС/ преимущественно с цепным приводом.

При осуществлении рабочих процессов в ДВС коленчатый вал двигателя, на котором жестко закреплено ведущее колесо /звездочка/, посредством приводной бесконечной связи /ремень, цепь/ кинематически взаимодействует, например, с приводным ведомым шкивом /звездочкой/, который закреплен на приводном распределительном вале /кулачковом, золотниковом/ и приводит, таким образом, во вращательное движение распределительный вал с соответствующими составными деталями механизма газораспределения, обеспечивающими реализацию процессов наполнения цилиндров свежей топливовоздушной смесью, ее горение и отвод из цилиндров отработавших газов.

Одна из нежелательных технических проблем заключается в том, что вращающиеся валы, приводные колеса /звездочки/ и движущаяся приводная кинематическая связь /особенно цепь/ являются интенсивными источниками высокочастотных вибраций и шума, вызванных ударными импульсными нагрузками в зонах входа и схода зацепления зубьев звездочек со звеньями цепи и колебаниями ветвей приводной цепи, что приводит к генерированию ударных и вибрационных /колебательных/ импульсов в элементах привода и соответственно к их передаче "твердым" путем по металлу на присоединенные корпусные детали ДВС и излучению их вибрирующими поверхностными структурами /стенками/ звуковой энергии в окружающую среду. Особенно интенсивное излучение шума происходит на неустановившихся режимах работы при изменении скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя /например, при резком изменении нагрузки, числа оборотов двигателя, при переключении передач, торможении, трогании с места транспортного средства, оборудованного ДВС, и пр./ Именно в это время со стороны приводного /коленчатого/ вала на приводную связь /цепь/ передаются наиболее мощные возмущающие динамические импульсы, связанные с неравномерностями и колебаниями крутящего момента и крутильными и изгибными колебаниями носка коленвала, на котором установлена ведущая звездочка, приводящие к интенсивным вибрациям как приводной связи, так и элементов привода и, в итоге, значительному росту генерируемой звуковой энергии, излучаемой в окружающую среду присоединенными зонами стенок корпуса двигателя к приводу.

В какой-то степени частично ослабить вибрации и шум в цепных передачах удается путем введения в них специальных успокоительных демпфирующих элементов. В частности, это могут быть специальные устройства - натяжители, автоматически поддерживающие заданное усилие натяжения цепи, успокоители, находящиеся, в идеальном случае, в постоянном /безотрывном/ контакте с движущейся цепью и ограничивающие, таким образом, чрезмерные колебания ветвей привода и развитие нежелательных шумоактивных динамических процессов, или другие специальные устройства. Например, в заявке Японии /JP, A 1-30960, класс F 16 H 7/18, публ. 02.01.89/ в конструкции цепного привода между ведущей и ведомой звездочками введена дополнительная звездочка, находящаяся в зацеплении с роликовой замкнутой цепью и создающая заданное натяжение цепи. Под воздействием этой натяжной звездочки цепь может отклоняться от положения, в котором она находилась бы, если бы к ней не прикладывалась дополнительная нагрузка. При такой конструкции цепного привода ослабляются вибрации привода вследствие ограничения виброперемещений приводных ветвей, возникающих во время его работы.

В заявке Японии /JP, B 63-3185, класс F 16 H 7/18, публ. 22.01.88/ средством, ослабляющим вибрации цепи, является специальная направляющая, содержащая корпус из листового материала, примыкающий к цепи, в средней части которого выполнен специальный желобок с дном и двумя бортами, которые и ограничивают низкочастотные колебания и повышенную высокочастотную вибрацию цепи.

В патенте /US, A 4869708, класс F 16 H 7/18, публ. 26.09.89/ ветви приводной цепи, размещенные между звездочками, плотно охвачены специальным пластмассовым корпусом, который выполняет функцию ограничителя и успокоителя колебаний ветвей.

В заявке Японии /JP, B 63-3184, кл. F 16 H 7/08, публ. 22.01.88/ описано устройство для натяжения цепи, включающее специальные приспособления, установленные в местах набегания и сбегания цепи на звездочки и предотвращающие возможное ослабление цепи в этих местах. Центр качания направляющих этих приспособлений совпадает с центром вращения звездочек, а натяжные пружины обеспечивают постоянное поджатие приспособлений к цепи в зонах набегания и сбегания ее ветвей на звездочки.

Однако меры, предпринимаемые для снижения шума и вибраций приводом ГРМ в описанных выше источниках информации, имеют ограниченное применение и поэтому, как правило, недостаточны для требуемого эффективного и комплексного решения обозначенной проблемы /вибрации, шум, механические потери, износ, надежность и т.п./.

Прототипом изобретения выбран известный цепной привод /SU, авторское свидетельство 1203281, кл. F 16 H 55/30, 1986 г./, содержащий ведущую и по крайней мере одну ведомую звездочки, кинематически охваченные замкнутой приводной цепью, и размещенный между выполненными на общем основании по крайней мере двумя рабочими венцами звездочки упругий демпфирующий элемент, непосредственно контактирующий со звеньями цепи и выполненный в виде бесконечного вращающегося кольца, размещенного между смежными рабочими венцами звездочки с возможностью обкатывания основания рабочих венцов, причем внутренний диаметр кольца превышает наружный диаметр рабочего венца звездочки, а кольцо выполнено из металлического пористого сетчатого материала.

В противопоставленных источниках патентной информации упругое кольцо частично демпфирует колебания ветвей цепи путем прижатия к набегающему и сбегающему участку элементов цепи, т. е. по сути является натяжителем /упругим/ ветвей от низкочастотных колебаний ветвей типа "колебания натянутой струны". Это, естественно, уменьшает динамические нагрузки и нарушение "правильного" кинематического зацепления зубьев звездочки и элементов цепи в зонах входа и выхода зубьев из зацепления и таким образом повышает надежность и долговечность привода. Однако сам процесс зацепления зубьев с элементами цепи носит импульсный /ударный/ характер /имеются в виду удары зубьев об элементы цепи в процессе вращения приводной звездочки, причем вращающийся неравномерно даже на постоянных оборотах вращения/, а с относительными крутильными /угловыми/ колебаниями звездочки как вследствие неравномерности реализуемого крутящего момента, например, на коленчатом валу двигателя, так и вследствие собственных крутильных колебаний упругой механической системы "коленчатый вал - маховик - приводная звездочка". Вследствие этого рассмотренный динамический процесс носит широкополосный характер с преимущественным расположением звуковой энергии, генерируемой в зоне входа и выхода зубьев из зацепления, в высокочастотной области спектра с наложенной дискретной частотной составляющей, имеющей частоту пересопряжения зубьев звездочки с элементами цепи, равной произведению частоты вращения на число зубьев /а не только низкочастотные струнные колебания ветвей цепи/.

Задачей является обеспечение эффективного демпфирования ударных вибрационных процессов и обеспечение поглощения звука пористой звукопоглощающей структурой.

Технический результат достигается тем, что цепной привод, в частности, газораспределительного механизма и вспомогательных агрегатов двигателя внутреннего сгорания содержит ведущую и по крайней мере одну ведомую звездочку, кинематически охваченные замкнутой приводной цепью, и размещенный между выполненными на общем основании по крайней мере двумя рабочими венцами звездочки упругий демпфирующий элемент, непосредственно контактирующий со звеньями цепи и выполненный в виде бесконечного вращающегося кольца, размещенного между смежными рабочими венцами звездочки, с возможностью обкатывания основания рабочих венцов, причем внутренний диаметр кольца превышает наружный диаметр рабочего венца звездочки, при этом кольцо выполнено из металлического, пористого сетчатого материала.

В заявленном решении кольцо представляет собой элемент из однородной структуры, одновременно обладающей упругими и демпфирующими свойствами, причем демпфирующие свойства обеспечиваются и в агрессивной среде /разогретое масло/ при высоких температурах. Причем если в полимерных проставках демпфирующие свойства с повышением температуры резко падают, а сам материал проставок ускоренно разрушается, то применение в заявленном техническом решении материала, представляющего собой прессованную металлическую пористую сетчатую структуру /ПСМ, металлорезина/, не зависит от температурных нагрузок и воздействия агрессивной среды. Более того, ввиду того что структура пористая, то будучи погруженной в масляную среду, она тем самым способствует снижению трения в зонах контактных взаимодействий с элементами цепного привода.

На фиг. 1 показана схема цепного привода механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания с двумя кулачковыми валами и двухрядной приводной цепью.

На фиг. 2 показано сечение А-А ведущей двухрядной звездочки.

На фиг. 3 показано сечение Б-Б ведущей двухрядной звездочки.

На фиг. 4 и 5 показаны сечения, аналогичные фиг. 2 и 3 /соответственно/, с применением однорядной ведущей звездочки.

На фиг. 6 /увеличенный фрагмент фиг. 4/ показаны рабочие венцы звездочки, в основании которых размещен упругий демпфирующий элемент.

На фиг. 7 показан фрагмент упругого демпфирующего элемента из металлорезины /пористого сетчатого материала - ПСМ/, на внутренней поверхности которого выполнены дополнительные компенсаторы деформаций.

Цепной привод ГРМ и вспомогательных агрегатов двигателя внутреннего сгорания содержит ведущую 1 и ведомую 2 звездочки, кинематически охваченные замкнутой приводной цепью 3, и размещенный между выполненными на общем основании 4 рабочими венцами 5 и 6 звездочки 1 упругий демпфирующий элемент 7.

Элемент 7 выполнен в виде вращающегося бесконечного упругого демпфирующего кольца, размещенного между смежными рабочими венцами 5 и 6, с возможностью обкатывания основания 4, которое является общим для венцов 5 и 6. Внутренний диаметр D1 кольца 7 может несколько превышать наружный диаметр D2 одного из рабочих венцов 5 /или 6/.

Конструктивно кольцо /упругий демпфирующий элемент/ 7 может быть выполнено в виде замкнутой тонкой металлической гибкой бесконечной ленты или из специального полимерного материала, например износостойкого самосмазывающего полимера. Возможным является вариант изготовления кольца 7 из металлического, пористого сетчатого материала, обладающего свойствами металлорезины /подробно об этом будет сказано ниже/.

В том случае, когда толщина - t - кольцевого элемента 7 превышает его ширину - b -, на примыкающей к основанию 4 поверхности демпфирующего элемента 7 выполняются компенсаторы деформаций 8, например углублениями, имеющими форму части окружности, равномерно размещенными по окружности упругого кольца 7. В это же время в основании 4 может быть выполнено аксиальное кольцевое углубление 9, выполняющее функцию специальной направляющей для частично размещенного в ней упругого демпфирующего элемента 7.

Предлагаемый цепной привод ГРМ и вспомогательных агрегатов ДВС работает обычным образом.

Поскольку кольцевой элемент 7 установлен между венцами 5 и 6 с заданным радиальным зазором, фиг. 2, цепь 3 /участки входа и сбега цепи/ контактирует с примыкающими зонами входа и сбега, деформирует элемент 7 в радиальном направлении, при этом форма элемента 7 приобретает вид, приближающийся к овалу. Таким образом, контакт цепи с демпфирующим элементом 7 осуществляется не только при нахождении цепи 3 на звездочке 1, но и /в отличие от прототипа/ на некотором расстоянии перед набеганием и зацеплением зубьев цепи 3 на звездочку 1 и после сбегания элементов цепи 3 со звездочки 1. Таким образом, охваченной процессом демпфирования оказывается не только непосредственная зона зацепления, но и важная примыкающая зона набегания звеньев цепи и их сбегания со звездочки, которые в максимальной степени несут ответственность за формирование виброакустической энергии в работающем цепном приводе, ее износ, надежность, долговечность и т.д. Более эффективно осуществляется и сам процесс шумовибродемпфирования, поскольку увеличиваются как амплитуды деформации вибродемпфирующей структуры кольца 7/ и необратимые потери в нейтрализаторе подводимой энергии/, так и зоны поверхностей взаимного контактного и присоединительного взаимодействия /деформирования/, что влечет увеличение суммарных необратимых тепловых потерь при преобразовании механической колебательной энергии в тепловую энергию внутренних потерь в материале кольца /структурное дислокационное или межволоконное трение при существенных амплитудах и поверхностях деформаций/.

Кроме того, ветви движущейся цепи между смежными звездочками 1 и 2, в процессе вращения последних, совершают изгибные "струнные" колебания, как упруго-массовые элементы, имеющие определенную длину ветви, массу, жесткость и демпфирование. Эти параметры формируют собственную частоту таких изгибных колебаний и в процессе ее совпадения с частотой внешнего динамического возмущения, например, с зубцовой частотой звездочки на конкретном скоростном режиме вращения /работы ДВС/, происходит процесс резонансных колебаний ветви привода, вызывающий значительные нежелательные амплитуды виброперемещений ветви, влекующие нарушение нормальной кинематики и динамики привода в целом /траекторные отклонения в зонах входа и выхода из зацепления/, повышенной вибрации и шуму, повышенным механическим потерям и износу в сопрягающихся элементах зубьев звездочки и цепи, необратимой вытяжки цепи, снижением долговечности и надежности привода и двигателя в целом. Наличие упругого демпфирующего кольца 7, контактирующего с примыкающими участками входа и выхода цепи из зацепления со звездочкой, приводит к введению в эту колебательную систему двух существенно демпфирующих, ограничительных и направляющих элементов /со стороны сбега и набега цепи/, влекущих подавление резонансных колебаний за счет преобразования энергии колебаний ветви цепи в энергию деформации упругого демпфирования кольца 7 и последующим преобразованием этой паразитной энергии в тепловую. Такое "динамическое успокоение" привода влечет снижение шума, вибраций, механических потерь, износа, повышает надежность и долговечность привода.

В качестве одного из конкретных конструктивных выполнений заявляемого технического решения на фиг. 1-3 представлена схема одного из приводов механизма газораспределения ДВС двухрядной приводной цепью. Здесь между венцами 5 и 6 звездочки 3 свободно размещено тонкое металлическое кольцо, которое после монтажа на звездочки 1 и 2 цепи 3 принимает, фиг. 1, близкую к овалу форму. Таким образом, на некотором расстоянии от звездочки 1 кольцо 7 упруго прижимается к набегающим и сбегающим ветвям цепи. Это позволяет гасить не только ударные нагрузки звеньев цепи во время их контакта с зубьями звездочки, но и ослаблять струнные колебания свободных ветвей цепи 3, обеспечивать направляющую и ограничительную функции в приводе.

На фиг. 4-7 предмет изобретения иллюстрируется на примере механизма привода ГРМ двигателя с применением однорядной цепи. По своей сути и достигаемому эффекту он эквивалентен приводу, описанному выше. Конструктивной особенностью здесь является то, что зубья звездочки 1 имеют вильчатую форму, с образованием кольцевого углубления специально для установки в основании 4 упругого демпфирующего элемент 7. Именно в таких конструкциях целесообразно применение элементов 7, толщина которых - t - превышает их ширину - b -, поскольку зазор между рабочими венцами 5 и 6 здесь не может быть значительным. В частности, на фиг. 7 показан пример конструктивного выполнения упругого демпфирующего кольца 7 из материала типа металлорезины /например, металлического пористого сетчатого материала/, причем на внутренней поверхности кольца 7 выполнены дополнительные компенсаторы и усилители деформации 8, которые позволяют упругому демпфирующему элементу 7 более свободно деформироваться при работе привода в радиальном направлении. В ряде случаев для обеспечения заданной кинематики привода в основании 4 выполняется аксиальное кольцевое углубление 9, выполняющее функцию направляющей упругого демпфирующего элемента 7.

Применение предлагаемого технического решения возможно практически на большинстве известных цепных приводах механизмов газораспределения и вспомогательных агрегатов ДВС, причем в случае использования в приводе многорядной цепи штатная конструкция привода не подвергается кардинальной конструктивной доработке, поскольку достаточно между имеющимися венцами 5 и 6 разместить упругий демпфирующий элемент 7. В приводе с однорядной цепью зубья ведущей звездочки выполняются специальной вильчатой формы, или может быть доработана штатная звездочка путем выполнения в ее зубьях дополнительного аксиального паза, как это показано на фиг. 4-6.

Изобретение относится к машиностроению, в частности двигателестроению, а именно к механизмам привода газораспределения (ГРМ) и привода вспомогательных агрегатов (масляного насоса) ДВС преимущественно с цепным приводом. Цепной привод содержит ведущую и по крайней мере одну ведомую звездочки, кинематически охваченные замкнутой приводной цепью. На общем основании между двумя рабочими венцами звездочки размещен упругий демпфирующий элемент с возможностью обкатывания основания рабочих венцов. Внутренний диаметр кольца превышает наружный диаметр рабочего венца звездочки. Упругий элемент выполнен в виде бесконечного вращающегося кольца из металлического пористого сетчатого материала, который позволяет обеспечить эффективное демпфирование ударных вибрационных процессов и обеспечить поглощение звука пористой звукопоглощающей структурой. 7 ил.

Цепной привод, в частности, газораспределительного механизма и вспомогательных агрегатов двигателя внутреннего сгорания, содержащий ведущую и, по крайней мере, одну ведомую звездочки, кинематически охваченные замкнутой приводной цепью, и размещенный между выполненными на общем основании, по крайней мере, двумя рабочими венцами звездочки упругий демпфирующий элемент, непосредственно контактирующий со звеньями цепи и выполненный в виде бесконечного вращающегося кольца, размещенного между смежными рабочими венцами звездочки с возможностью обкатывания основания рабочих венцов, причем внутренний диаметр кольца превышает наружный диаметр рабочего венца звездочки, отличающийся тем, что кольцо выполнено из металлического, пористого сетчатого материала.