Изобретение относится в целом к системам ременного привода вспомогательных устройств двигателя внутреннего сгорания, каждая из которых имеет унитарное устройство, выполняющее как функцию запуска двигателя, так и функцию выработки электрической энергии, такое как электродвигатель-генератор, иногда называемый стартером-генератором (Gen-Star). Более точно, оно относится к подобным системам, применяемым для автомобилей. В частности, данное изобретение относится к натяжному устройству и конструкции систем ременного привода, каждая из которых имеет электродвигатель/генератор и каждая из которых имеет натяжное устройство.
Описание известного уровня техники
Предназначенные для передачи мощности системы ременного привода обычно используются в двигателях внутреннего сгорания для отбора мощности с коленчатого вала двигателя и передачи ее к одному или более различных вспомогательных механизмов или вспомогательных устройств двигателя. В случаях применения в автомобилях данные вспомогательные устройства включают в себя насосы рулевого привода с усилителем, водяные насосы, компрессоры систем кондиционирования воздуха, топливные насосы и генераторы переменного тока. Исторически сложилось так, что подобные двигатели имели основное место отбора мощности на коленчатом валу, выступающем от задней части двигателя, к которому присоединена цепь привода для приведения в движение колес с целью обеспечения движения автомобиля. Привод вспомогательных устройств осуществляется от шкива, присоединенного к передней части коленчатого вала. Каждое вспомогательное устройство оснащено шкивом. Все шкивы механически связаны друг с другом посредством одного или более приводных ремней, охватывающих их. Предусмотрен какой-либо способ натяжения каждого приводного ремня. Приводной ремень, шкивы и устройства, осуществляющие натяжение ремня, образуют систему ременного привода вспомогательных устройств (систему вспомогательного ременного привода).
Ранее разработанные и применявшиеся системы включали в себя множество клиновых ремней. Обычно каждый ремень натягивали путем регулировки вручную и фиксации положения одного вспомогательного устройства или натяжного ролика для одного ремня. Такие системы называют ременными приводами с заблокированным центром, поскольку не предусмотрено никакого автоматического перемещения ни одного из шкивов с целью приспосабливания к изменяющемуся состоянию ремня или привода в целом. Если ремень растянется или удлинится иным образом, натяжение на ремне уменьшится. Далее, для обеспечения надлежащей работы системы ременного привода необходимо создать натяжение ремня, достаточно большое, чтобы обеспечить возможность приспосабливания к состоянию, характерному для наихудшего случая. Такое состояние, характерное для наихудшего случая, может быть результатом экстремальных значений температуры, экстремальных режимов работы двигателя или работы вспомогательных устройств.
Существует потребность уменьшить объем моторных отделений автомобилей. Для того, чтобы данные отделения можно было уменьшить по объему, различные элементы двигателей, включая системы ременного привода вспомогательных устройств, были выполнены с меньшими размерами. Это было выполнено, по меньшей мере частично, за счет уменьшения количества используемых ремней. При удалении любого ремня и уменьшении количества слоев, проходящих от передней части двигателя, общее расстояние, на которое система ременного привода выступает от передней части двигателя, таким образом уменьшается. В конце концов это привело к использованию одного змеевидного ремня для многих применяемых устройств. Змеевидный ремень назван таким образом из-за того, как он обвивает различные шкивы, образуя последовательность изгибов как вперед, так и назад. Клиновой ремень или Micro-V (зарегистрированный товарный знак The Gates Rubber Company) ремень наиболее подходит для тех случаев применения, где ремень должен "извиваться" подобно змее.
Ограничения подхода к проблеме натяжения ремней, при котором используется заблокированный центр, усиливаются в случаях применения змеевидных ремней. Соответственно, большинство современных змеевидных ременных приводов включают в себя автоматическое натяжное устройство, в результате чего можно обеспечить лучшее приспосабливание к изменяющимся состояниям системы ременного привода. В базовом виде автоматическое натяжное устройство имеет базовый элемент или точку крепления, в которой данное устройство прикреплено непосредственно к блоку цилиндров двигателя или присоединено не напрямую к некоторой точке на транспортном средстве, которая является неподвижной по отношению к двигателю транспортного средства, и шкив, который прижимается к ремню в плоскости вращения системы ременного привода. Подвижный элемент или соединительная часть проходит между базовым элементом и шкивом для обеспечения приложения усилия давления к ремню через посредство шкива. Давление служит для увеличения расстояния, которое "охвачено" ремнем, и тем самым заставляет ремень находиться под натяжением. Различные способы и геометрические элементы и конфигурации были использованы для создания усилия поджима. Обычно упругий элемент, такой как стальная пружина, служит для того, чтобы заставить подвижный элемент совершать поворот, в результате чего шкив стремится сместиться в направлении в сторону поверхности ремня, что, в свою очередь, приводит к увеличению натяжения ремня.
Натяжное устройство, имеющее только данные элементы, обеспечивает приложение до некоторой степени постоянного усилия к поверхности ремня, когда система находится в состоянии покоя (то есть шкивы не вращаются). Приспосабливание к размерной нестабильности системы привода, возникающей с течением времени, обусловленной колебаниями температуры или отклонениями размеров при изготовлении, обеспечивается довольно хорошо за счет действия упругого элемента, по крайней мере, в пределах, обусловленных упругим элементом и геометрией натяжного устройства. Таким образом, натяжение на ремне остается относительно постоянным, когда система находится в состоянии покоя, даже несмотря на то, что ремень может растянуться или двигатель может быть горячим или холодным. Однако натяжное устройство, имеющее только данные элементы, может не обеспечить поддержания надлежащего натяжения ремня при всех условиях эксплуатации и режимах работы системы.
Работающая система ременного привода, как правило, вибрирует из-за воздействий крутильных колебаний или другого углового ускорения коленчатого вала или вспомогательных устройств, воздействий, вызванных неуравновешенным состоянием, или других воздействий. Крутильное колебание коленчатого вала происходит частично в результате отдельных импульсов, передаваемых коленчатому валу за счет циклов сгорания в каждой комбинации цилиндра и поршня. Колебания приводят к вибрации ремня. Это, в свою очередь, приводит к вибрации подвижных частей натяжного устройства. При этом в указанных подвижных частях кинетическая энергия увеличивается, что приводит к изменению усилия, прикладываемого со стороны шкива к поверхности ремня, и натяжения на ремне. Изменяющееся натяжение ремня может вызвать неприемлемое поведение системы ременного привода. В одном случае могут возникать проблемы, связанные с краткосрочными изменениями поведения, такие как в том случае, когда ремень системы ременного привода чрезмерно проскальзывает, что ограничивает кпд системы или способность к передаче мощности, или создает чрезмерный шум из-за проскальзывания, или по другим причинам. В других случаях та степень натяжения, которая обязательно должна быть обеспечена для ремня, чтобы система имела приемлемые эксплуатационные характеристики в краткосрочном периоде, приводит к таким долгосрочным проблемам, как преждевременный выход из строя одного или более компонентов системы, включая ремень, или одного, или более вспомогательных устройств.
Для приспосабливания к данным ситуациям и, тем самым, для улучшения эксплуатационных характеристик натяжных устройств в натяжные устройства были включены демпфирующие устройства. В более ранних натяжных устройствах с демпфирующими элементами было предусмотрено симметричное демпфирование, при котором демпфирование колебаний подвижных частей натяжных устройств осуществляется приблизительно одинаково независимо от того, происходит ли моментальное движение в таком направлении, при котором существует тенденция увеличения натяжения на ремне, или в таком направлении, при котором существует тенденция уменьшения натяжения на ремне. Обеспечивается сочетание демпфирования с усилиями, действующими со стороны упругого элемента, в результате чего имеет место измененный поджим на поверхности контакта шкива с ремнем. В других натяжных устройствах использовали асимметричное демпфирование. Обычно в подобных натяжных устройствах демпфирование происходит таким образом, что демпфирование колебаний подвижной части будет минимальным, когда натяжное устройство смещается в направлении, при котором натяжение ремня увеличивается, и максимальным, когда натяжное устройство смещается в направлении, при котором натяжение ремня ослабляется. При одном подходе колодка поджата к кольцу под углом, отличным от нормали к поверхности кольца. В результате движение колодки и кольца друг относительно друга в одном направлении приводит к тенденции отрыва колодки от кольца. Это вызывает снижение давления на поверхности контакта колодки с кольцом, уменьшение трения, приводящего к возникновению демпфирования, и тем самым уменьшение демпфирования. При движении в другом направлении имеет место тенденция заклинивания колодки относительно кольца и увеличения демпфирования. Пример описан в патенте США №5964674, выданном на имя Serkh и др. В этом патенте предусмотрено использование натяжных устройств, имеющих один шкив, поджатый к поверхности ремня для создания натяжения. Кроме того, поджим к ремню происходит исключительно относительно блока цилиндров.
В патенте США №4416647, выданном на имя White, Jr., раскрыто использование натяжных устройств с двумя шкивами, поджатыми к приводному ремню. В патенте '647 утверждается, что данный подход является полезным для обеспечения натяжения в системе с циклической нагрузкой, такой как компрессор системы кондиционирования воздуха. Один из шкивов поджат к участку приводного ремня, расположенному непосредственно перед местом приложения циклической нагрузки по ходу движения ремня. В то же время другой шкив поджат к приводному ремню непосредственно за местом приложения циклической нагрузки по ходу движения ремня. В одном варианте осуществления два шкива зафиксированы друг относительно друга над изогнутым под углом элементом, который может поворачиваться вокруг своей вершины. Узел поджат в направлении приводного ремня для обеспечения статического натяжения по типу заблокированного центра. Утверждается, что поворот позволяет приспосабливаться к динамическому натяжению.
Статическое натяжение представляет собой результат приложения силы к приводному ремню со стороны натяжного устройства в направлении натяжения ремня, при этом возникает тенденция увеличения расстояния, которое приводной ремень вынужден проходить при движении вокруг шкивов системы. Если предположить, что обеспечивается возможность свободного вращения каждого из шкивов системы, натяжение на каждом участке [ремня между шкивами] будет одинаковым и представлять собой статическое натяжение. Динамическое натяжение представляет собой натяжение на участке приводного ремня, которое возникает в результате изменения статического натяжения под действием крутящего момента на каждом из шкивов и вследствие различных дисбалансов в системе. В качестве дополнительного результата можно отметить то, что существует тенденция, которая приводит к тому, что натяжение на каждом участке будет отличаться от натяжения на других участках.
В другом варианте осуществления каждый из двух шкивов прикреплен к отдельному рычагу, который может перемещаться вокруг оси поворота по отдельности. Два рычага поджаты в направлении друг к другу с помощью пружины. В патенте '647 указано, что в любом из двух вариантов осуществления демпфирование обеспечивается за счет взаимодействия шкивов с отдельными участками приводных ремней. Отсутствует указание на то, что трение или другое демпфирующее воздействие обеспечивается в месте поворота независимо от того, перемещаются ли шкивы относительно двигателя или друг относительно друга.
Традиционно стартерный электродвигатель предусмотрен для приведения коленчатого вала двигателя во вращение с тем, чтобы можно было инициировать сгорание и запустить двигатель в работу. Стартерный электродвигатель расположен рядом с задней частью двигателя и приспособлен для того, чтобы периодически сцепляться с задней частью коленчатого вала посредством зубчатой передачи.
В настоящее время существует возрастающее стремление уменьшить выделения и уменьшить расход топлива путем снижения массы автомобиля и уменьшения количества элементов, расположенных под капотом. Подход, принятый для достижения указанных целей, предусматривает объединение функции стартерного электродвигателя и функции генератора переменного тока в одном устройстве, электродвигателе-генераторе или стартере-генераторе (Gen-Star). Достижению цели уменьшения расхода топлива также способствует характерное свойство, использованию которого способствует электродвигатель-генератор, и которое называют "остановом на холостом ходу". Это характерное свойство проявляется в том случае, когда обеспечивается возможность остановки двигателя в ситуации, при которой он обычно работал бы на холостом ходу, после чего двигатель может быть снова запущен, когда предполагается возобновить движение автомобиля. Эта характерная особенность приводит к увеличению требований, предъявляемых к ременным приводам вспомогательных устройств. При применении электродвигатель-генератор устанавливают так, чтобы он был механически связан с коленчатым валом через посредство ременного привода вспомогательных устройств. Существует тенденция размещения электродвигателя-генератора и связанной с ним системы ременного привода вспомогательных устройств в передней части двигателя. Однако может быть предусмотрено размещение этих систем в других местах, включая заднюю часть двигателя.
Появление систем с электродвигателями-генераторами заставляет конструктора систем ременных приводов, предназначенных для передачи мощности, столкнуться по существу с новыми серьезными проблемами помимо простых колеблющихся нагрузок. Среди этих проблем важной задачей была разработка системы натяжения, которая обеспечивает приемлемые эксплуатационные характеристики с помощью ременного привода вспомогательных устройств, который включает в себя данное новое устройство, которое не только создает существенную нагрузку и вращательную инерцию, но также обеспечивает приложение дополнительного большого приводного крутящего момента к ременному приводу вспомогательных устройств. Кроме того, оно обеспечивает приложение данного большого приводного крутящего момента периодически.
Система натяжения, которую рассматривают как подход к обеспечению натяжения ременного привода вспомогательных устройств, включающего в себя электродвигатель-генератор, раскрыта в японской публикации заявки №JP 1997000359071. В этой публикации раскрыто размещение обычного автоматического натяжного устройства с одним рычагом у участка ремня между опорами, который в тот момент, когда электродвигатель-генератор находится в режиме пуска, был бы участком с наименьшим натяжением при отсутствии натяжного устройства. Этот участок соответствует участку, на который "попадает" ремень непосредственно после прохода вокруг шкива электродвигателя-генератора, когда ремень перемещается в своем обычном рабочем направлении.
Было установлено, что раскрытая система натяжения является не столь оптимальной. Для достижения приемлемых эксплуатационных характеристик в краткосрочном периоде приходится жертвовать рабочими характеристиками в долгосрочном периоде, и, кроме того, ширина ремня, которая должна быть использована для обеспечения надлежащих эксплуатационных качеств в краткосрочном периоде, не является оптимальной.
В патенте США №4758208, выданном на имя Bartos и др., раскрыто использование двух рычагов, каждый из которых несет шкив. Рычаги смонтированы с такими осями поворота, которые соответствуют валу электродвигателя-генератора. Два рычага поджаты в направлении друг к другу с помощью пружины. Натяжное устройство также предусматривает установку электродвигателя-генератора с возможностью ограниченного поворота так, что обеспечивается возможность поворота корпуса на несколько градусов в зависимости от того, в каком режиме работает электродвигатель-генератор - в режиме стартера или в режиме генератора переменного тока. Это движение, возникающее как реакция на определенный режим работы, обеспечивает приведение в действие пары фиксаторов, которые попеременно блокируют возможность смещения одного или другого из двух рычагов в зависимости от режима. Таким образом, рычаг, связанный с участком приводного ремня, заканчивающимся у шкива электродвигателя-генератора и имеющим наибольшее натяжение в результате определенного режима работы электродвигателя-генератора, блокируется на месте. В этом случае свободный рычаг обеспечивает приложение усилия натяжения к системе ременного привода, предназначенной для передачи мощности. Очевидно, что данное натяжное устройство является сложным, требует специального монтажа электродвигателя-генератора, имеющего подвижные детали, подверженные износу, и не является легко переналаживаемым при его применении. Кроме того, в патенте '208 не раскрыто намерение предусмотреть дополнительное демпфирование движения любого из двух шкивов для улучшения рабочих характеристик системы.
Соответственно, сохраняется необходимость в создании натяжного устройства и системы, предназначенной для использования совместно с электродвигателем-генератором, которая одновременно обеспечивает надлежащие рабочие характеристики в краткосрочном периоде, надлежащие эксплуатационные качества в долгосрочном периоде, позволяет оптимизировать ширину ремня, которая может быть использована для любого заданного случая применения, обеспечивает ограничение затрат и сложности и обладает способностью приспосабливания к системам электродвигателей-генераторов, для которых она может быть применена.
Краткое изложение сущности изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание натяжного устройства для ременного привода вспомогательных устройств и системы с конфигурацией, которая позволяет улучшить сочетание рабочих характеристик в краткосрочном периоде, эксплуатационных качества долгосрочном периоде и оптимизировать выбор ремня.
Дополнительной задачей настоящего изобретения является создание натяжного устройства для ременного привода вспомогательных устройств и системы с конфигурацией, которая дозволяет ограничить затраты и сложность и обладает способностью приспосабливания к системам электродвигателей-генераторов, для которых она может быть применена.
Для решения вышеуказанных и других задач в соответствии с назначением настоящего изобретения в том виде, как оно реализовано и широко описано здесь, разработаны натяжное устройство и система привода вспомогательных устройств, включающая в себя электродвигатель-генератор, которые описаны здесь. Изобретение представляет собой усовершенствованное натяжное устройство ременного привода, предназначенное для системы ременного привода, имеющей натяжное устройство ременного привода, шкив коленчатого вала, шкив вспомогательного устройства и шкив электродвигателя-генератора. Система ременного привода дополнительно включает в себя приводной ремень, схватывающий шкив коленчатого вала, шкив вспомогательного устройства и шкив электродвигателя-генератора. Натяжное устройство ременного привода представляет собой натяжное устройство такого типа, которое имеет место крепления, приспособленное для крепления к точке, неподвижной относительно блока цилиндров двигателя, первый шкив натяжного устройства ременного привода, поджимающий элемент и соединительную часть, приспособленную для передачи усилия от поджимающего элемента к приводному ремню через посредство первого шкива натяжного устройства ременного привода. Усовершенствование обеспечивается за счет того, что натяжное устройство ременного привода включает в себя второй шкив натяжного устройства, и соединительная часть приспособлена для передачи усилия от поджимающего элемента к первому шкиву натяжного устройства и ко второму шкиву натяжного устройства, в результате этого обеспечивается взаимный асимметричный поджим первого шкива натяжного устройства и второго шкива натяжного устройства с перемещением их, приводящим к увеличению натяжения приводного ремня.
Краткое описание чертежей
Сопровождающие чертежи, которые включены в описание и образуют его часть и на которых аналогичные номера обозначают аналогичные элементы, иллюстрируют предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения и вместе с описанием служат для разъяснения принципов изобретения. В чертежах:
фиг.1 представляет собой схематичное изображение предпочтительного варианта осуществления конфигурации системы ременного привода вспомогательных устройств, включающей в себя электродвигатель-генератор, при этом система находится в режиме генерации;
фиг.2 представляет собой схематичное изображение предпочтительного варианта осуществления конфигурации системы ременного привода вспомогательных устройств, включающей в себя электродвигатель-генератор, при этом система находится в режиме запуска;
фиг.3 представляет собой перспективное изображение натяжного устройства, образующего часть предпочтительной системы ременного привода вспомогательных устройств, включающей в себя электродвигатель-генератор;
фиг.4 представляет собой перспективное изображение натяжного устройства, образующего часть предпочтительной системы ременного привода вспомогательных устройств, включающей в себя электродвигатель-генератор, при этом некоторые части на изображении удалены;
фиг.5 представляет собой сечение, выполненное по линии 5-5 на фиг.3;
фиг.6 представляет собой вид сверху натяжного устройства, образующего часть предпочтительной системы ременного привода вспомогательных устройств, включающей в себя электродвигатель-генератор;
фиг.7 представляет собой сечение, выполненное по линии 7-7 на фиг.4.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Предпочтительный вариант осуществления системы 10 ременного привода вспомогательных устройств изображен на фиг.1 и 2. Она включает в себя электродвигатель-генератор 12, шкив 14 электродвигателя-генератора, шкив 18 насоса рулевого привода с усилителем, шкив 20 компрессора системы кондиционирования воздуха, шкив 22 водяного насоса, шкив 24 коленчатого вала, натяжное устройство 28 с двумя шкивами, первый шкив 16 натяжного устройства, второй шкив 26 натяжного устройства и приводной ремень 30.
Несмотря на то, что показаны шкивы конкретных вспомогательных устройств при определенном геометрическом расположении друг относительно друга, следует понимать, что настоящее изобретение применимо для различных количеств и комбинаций вспомогательных устройств и геометрических расположений, включая как змеевидные, так и незмеевидные конфигурации, в зависимости от случая применения. Показанная конфигурация является змеевидной. Таким образом, приводной ремень 30 обычно представляет собой клиновой ремень. Однако изобретение может быть реализовано на практике при использовании в системе ремней всех типов. Кроме того, данное изображение также можно рассматривать как одну плоскость ремня/шкивов в системе ременного привода вспомогательных устройств, имеющей множество ремней.
Стрелка, обозначенная "перемещение ремня", указывает направление перемещения ремня во время нормальной работы как в режиме генерации, так и в режиме запуска. Движение по ходу перемещения, вдоль траектории, охваченной приводным ремнем 30, означает движение в том же направлении, в котором перемещается ремень. Движение против хода перемещения означает движение в направлении, противоположном направлению перемещения ремня.
При движении по ходу перемещения, начиная от шкива 24 коленчатого вала, участок 32 от коленчатого вала до электродвигателя-генератора охватывает расстояние, которое начинается в конечной точке, представляющей собой последнюю точку контакта между шкивом 24 коленчатого вала и приводным ремнем 30, и заканчивается в конечной точке, представляющей собой первую точку контакта между шкивом 14 электродвигателя-генератора и приводным ремнем 30. Первый участок 34 от электродвигателя-генератора до коленчатого вала охватывает расстояние, начинающееся в последней точке контакта между шкивом 14 электродвигателя-генератора и приводным ремнем 30 и заканчивающееся в первой точке контакта между шкивом 18 рулевого привода с усилителем и приводным ремнем 30. На фиг.1 и 2 имеются еще три участка от электродвигателя-генератора до коленчатого вала, обозначенные соответственно 34', 34'' и 34'''. Количество и местоположение участков 32 от коленчатого вала до электродвигателя-генератора и участков 34 от электродвигателя-генератора до коленчатого вала зависят от количества и местоположения шкивов вспомогательных устройств в конкретном случае применения.
Направление крутящего момента на шкиве 14 электродвигателя-генератора и на шкиве 24 коленчатого вала изменяется на обратное в зависимости от режима работы системы 10 ременного привода вспомогательных устройств, как показано стрелками, обозначенными "крутящий момент", на каждом шкиве 14 и 24 соответственно на фиг.1 и 2. В режиме генерации шкив 24 коленчатого вала обеспечивает "подачу" всего вращающего момента. Шкив 22 водяного насоса, шкив 20 компрессора системы кондиционирования воздуха, шкив 18 рулевого привода с усилителем и шкив 14 электродвигателя-генератора "потребляют" вращающий момент, при этом он в незначительной степени расходуется на первом шкиве 16 натяжного устройства и втором шкиве 26 натяжного устройства. В режиме запуска шкив 14 электродвигателя-генератора обеспечивает "подачу" всего вращающего момента. Шкив 24 коленчатого вала, шкив 22 водяного насоса, шкив 20 компрессора системы кондиционирования воздуха и шкив 18 рулевого привода с усилителем "потребляют" вращающий момент, при этом он в незначительной степени расходуется на первом шкиве 16 натяжного устройства и втором шкиве 26 натяжного устройства.
Как правило и независимо от режима работы, если предположить, что обеспечивается возможность свободного вращения каждого из шкивов, натяжение на каждом участке будет одинаковым и представлять собой статическое натяжение. Как показано на фиг.1-6, для данного предпочтительного варианта осуществления статическое натяжение представляет собой результат действия силы, приложенной к приводному ремню 30 со стороны натяжного устройства 28 посредством упругого элемента 38, действующего на комбинацию первого соединительного рычага 42 и второго соединительного рычага 44, что вызывает поджим первого шкива 16 натяжного устройства и второго шкива 26 натяжного устройства в направлении друг к другу, или взаимное смещение, и приложение усилия давления одновременно к участку 32 от коленчатого вала до электродвигателя-генератора и к участку 34 от электродвигателя-генератора до коленчатого вала, в результате чего, в свою очередь, возникает тенденция увеличения расстояния, которое приводной ремень 30 вынужден проходить вокруг всех шкивов.
При обычном режиме, или режиме генерации, изображенном на фиг.1, шкив 24 коленчатого вала "подает" вращающий момент. Последний участок 34"' от электродвигателя-генератора до коленчатого вала становится участком с наибольшим натяжением. Каждый шкив, расположенный по ходу перемещения до шкива 24 коленчатого вала, "поглощает" часть вращающего момента и вызывает уменьшение натяжения на участке, расположенном непосредственно перед ним по ходу перемещения, если не учитывать воздействия натяжного устройства. Шкив 14 электродвигателя-генератора представляет собой наибольшую нагрузку. В конце концов участок 32 от коленчатого вала до электродвигателя-генератора становится участком с наименьшим натяжением.
В режиме запуска, изображенном на фиг.2, электродвигатель-генератор 12 "подает" вращающий момент. Участок 32 от коленчатого вала до электродвигателя-генератора становится участком с наибольшим натяжением. Участок 34 от электродвигателя-генератора до коленчатого вала становится участком с наименьшим натяжением. В отличие от режима генерации шкив 24 коленчатого вала представляет собой наибольшую нагрузку. Традиционно оптимизацию компоновки привода рассматривают в зависимости от последовательности различных нагрузок и местоположения натяжного устройства. Как можно видеть, компоновка, которая обеспечивает оптимизацию в режиме генерации, существенно отличается от компоновки, которая обеспечивает оптимизацию в режиме запуска.
При проектировании обычной системы ременного привода с клиновыми ремнями, предназначенной для вспомогательных устройств, решают следующие основные задачи: 1) выбор ширины ремня (обычно обозначаемой количеством ручьев) и типа ремня в зависимости от ожидаемого крутящего момента, который должен быть создан, передан и "потреблен"; и 2) выбор статического натяжения, которое должно быть ниже, чем натяжение, приводящее к возникновению таких напряжений в ремне или компонентах системы, при которых фактический срок службы уменьшается до значений, которые меньше приемлемого срока, и выше, чем натяжение, при котором начинается неприемлемое проскальзывание. Кроме того, выбор типа и ширины ремня влияет на фактический срок службы ремня. Также следует отметить, что существует взаимозависимость между этими двумя конструктивными соображениями.
Перед конструктором систем ременного привода вспомогательных устройств неизменно стоит задача оптимального решения обеих указанных задач в свете соображений затрат и сложности. Оптимизацию выполняют путем варьирования многих геометрических параметров и связанных со свойствами материалов параметров, известных обычным специалистам в данной области техники. Одной из задач проектирования является размещение ведущих и ведомых шкивов в зависимости от момента инерции или другого момента, который создается на каждом из шкивов.
Системы привода, которые включают в себя электродвигатель-генератор, не позволяют выполнить данную определенную оптимизацию ни в каком случае, создают новые и вызывающие трудности ограничения, и до сих пор подразумевалась их оптимизация при практической реализации. Причина трудностей состоит в том, что шкивы, которые "подают" вращающий момент и являются источником наибольшего момента инерции, различаются в зависимости от режима работы. Кроме того, создаются большие нагрузки, обусловленные моментом инерции, чем те, с которыми сталкиваются в обычных системах привода.
Натяжное устройство 28 с двумя шкивами, поджимаемыми в направлении друг к другу, по настоящему изобретению позволяет в значительной степени оптимизировать систему 10 ременного привода вспомогательных устройств в определенных случаях применения для комбинации режимов, в частности при использовании системы с компоновкой по предпочтительному варианту осуществления.
Как показано на фиг.3-6, натяжное устройство 28 содержит первый шкив 16 натяжного устройства, второй шкив 26 натяжного устройства, упругий элемент 38, цапфу (ось шарнирной опоры) 40, первый соединительный рычаг 42 и второй соединительный рычаг 44, демпфирующую колодку 46, кольцевую поверхность 48 демпфирующего механизма, установочную (базовую) плиту 50, болт 52 первого шкива, болт 54 второго шкива, втулку 56, прокладку 57, поворотную опору 58, втулочную часть 60 первого рычага и втулочную часть 62 второго рычага. Первый и второй шкивы 16 и 26 шарнирно установлены соответственно на первом и втором соединительных рычагах 42 и 44 с помощью шарикоподшипников. Шарикоподшипники включают в себя [шаровые] опоры 70 и кольца 72.
Первый и второй соединительные рычаги, обозначенные соответственно 42 и 44, шарнирно установлены с возможностью поворота на поворотной опоре 58, при этом они опираются на втулку 56 и прокладку 57. Втулочная часть 60 первого рычага и втулочная часть 62 второго рычага соприкасаются с втулкой 56 и прокладкой 57, которые, в свою очередь, соприкасаются с поворотной опорой 58 и цапфой 40. Подразумевается, что каждый из элементов может иметь посадку, приводящую к значительному трению. Такое трение обеспечивает дополнительное демпфирование обоих соединительных рычагов, то есть соответственно первого и второго соединительных рычагов 42 и 44, относительно установочной плиты 50, которая закреплена в точке, неподвижной относительно блока цилиндров двигателя (непоказанного).
Несмотря на то, что первый и второй соединительные рычаги 42 и 44 могут поворачиваться относительно установочной плиты, они не могут поворачиваться друг относительно друга. Вместо этого они поджимаются друг к другу под действием усилия, прилагаемого к ним со стороны упругого элемента 38, при этом данное усилие изменяется посредством демпфирующего механизма, включающего в себя демпфирующую колодку 46, скользящую по кольцевой поверхности 48 демпфирующего механизма, образованной на внутренней поверхности втулочной части 62 второго рычага. Трение, возникающее при контакте демпфирующей колодки 46 и кольцевой поверхности 48 демпфирующего механизма, обеспечивает демпфирование перемещений первого и второго соединительных рычагов 42 и 44, но только относительно друг друга.
Упругий элемент 38, в данном предпочтительном варианте осуществления представляющий собой стальную пружину, работающую на кручение, присоединен не напрямую к первому соединительному рычагу 42, а через посредство демпфирующей колодки 46 и упорного элемента 64 для демпфирующей колодки в точке 66 присоединения демпфирующей колодки к пружине и присоединен непосредственно ко второму соединительному рычагу 42 в точке 68 присоединения второго рычага к пружине. Упругий элемент 38 намотан с возможностью передачи крутящего момента второму соединительному рычагу 44 в направлении по часовой стрелке, если смотреть на фиг.4, и передачи крутящего момента демпфирующей колодке 46 в направлении против часовой стрелки, если смотреть на фиг.6. Действующий против часовой стрелки крутящий момент, переданный демпфирующей колодке 46, передается упорному элементу 64 для демпфирующей колодки и, тем самым, первому соединительному рычагу 42, к которому присоединен упорный элемент 64 для демпфирующей колодки.
В данном предпочтительном варианте осуществления любое демпфирование, обеспечиваемое относительно установочной плиты 50 за счет точной посадки втулочной части 60 первого рычага, втулочной части 62 второго рычага, втулки 56, прокладки 57, поворотной опоры 58 и цапфы 40, является симметричным. Неподвижная посадка данного типа также обеспечивает дополнительную составляющую усилия, обеспечивающего симметричный поджим, которая дополняет демпфирование первого соединительного рычага 42 относительно второго соединительного рычага 44. Следует понимать, что даже симметричное демпфирование приводит к несимметричному поджиму, поскольку демпфирующие силы приводят к увеличению суммарных усилий поджима в одном направлении и уменьшению их в другом направлении.
Демпфирующая сила, создаваемая между первым и вторым соединительными рычагами 42 и 44, имеет несимметричную составляющую, так что совместное перемещение первого и второго шкивов 16 и 26 демпфируется в большей степени при смещении их в сторону друг от друга, чем при смещении их в направлении друг к другу. Это имеет место независимо от того, смещаются ли первый или второй шкив 16 и 26 в направлении усиления или ослабления натяжения ремня. Если рассматривать каждый из первого и второго шкивов 16 и 26 по отдельности, то направление ослабления натяжения ремня для любого из двух шкивов - первого шкива 16 или второго шкива 26 - представляет собой такое направление, при котором обеспечивается возможность схватывания ремнем 30 меньшей траектории. Направление усиления натяжения ремня представляет собой просто противоположное направление. Однако при рассмотрении перемещения первого и второго шкивов 16 и 26 направление ослабления натяжения ремня - это такое направление, когда первый и второй шкивы 16 и 26 смещаются дальше друг от друга. Усиление натяжения ремня в данном случае также просто соответствует обратной ситуации.
Как показано на фиг.7, концевая часть 67 пружины, соединенная с колодкой, имеет ось А изгиба. Делящий пополам радиус В проходит от центра поворотной опоры 58 через среднюю точку контакта между демпфирующей колодкой 46 и кольцевой поверхностью 48 демпфирующего механизма. Хорда С перпендикулярна радиусу В и проходит через две крайние точки контакта между демпфирующей колодкой 46 и кольцевой поверхностью 48 демпфирующего механизма. Как можно видеть, ось А изгиба пересекается с хордой С под углом X, и, таким образом, она не параллельна хорде С. Расстояние от точки контакта концевой части 67 пружины, соединенной с колодкой, с поворотной опорой 58, которая обозначена как точка Р поворота, до средней точки контакта между демпфирующей колодкой 46 и кольцевой поверхностью 48 демпфирующего механизма представляет собой фиксированное расстояние R1. Угол Х приводит к асимметрии демпфирования между первым и вторым соединительными рычагами 42 и 44. В состоянии покоя концевая часть 67 пружины, соединенная с колодкой, и демпфирующая колодка 46 проходят на фиксированное расстояние R1, равное расстоянию "исполнения" R2, в результате чего они контактируют с кольцевой поверхностью 48 демпфирующего механизма с полным усилием, создаваемым упругим элементом 38.
Когда первый и второй шкивы 16 и 26 смещаются в сторону друг друга, то есть в направлении усиления натяжения ремня, кольцевая поверхность 48 демпфирующего механизма смещается по часовой стрелке относительно первого соединительного рычага 42. Это, в свою очередь, приводит к смещению демпфирующей колодки 46 и соединенной с колодкой концевой части 67 пружины в направлении по часовой стрелке вокруг точки Р поворота. Это приводит к соответствующей тенденции смещения расстояния "исполнения" R2 по часовой стрелке. Как можно видеть, это приводит к тенденции увеличения расстояния "исполнения" R2. Однако фиксированное расстояние R1 не может увеличиться. Таким образом, демпфирующая колодка 46 будет стремиться к отрыву от кольцевой поверхности 48 демпфирующего механизма, при этом она "поглощает" некоторую часть усилия, в противном случае обеспечиваемого упругим элементом 38. Трение на поверхности демпфирующей колодки 46 и кольцевой поверхности 48 демпфирующего механизма уменьшается, что приводит к уменьшению демпфирования в направлении усиления натяжения ремня.
Когда первый и второй шкивы 16 и 26 смещаются в сторону друг от друга, то есть в направлении ослабления натяжения ремня, кольцевая поверхность 48 демпфирующего механизма смещается в направлении против часовой стрелки относительно первого соединительного рычага 42. Это, в свою очередь, приводит к смещению демпфирующей колодки 46 и соединенной с колодкой концевой части 67 пружины в направлении против часовой стрелки вокруг точки Р поворота. Это приводит к соответствующей тенденции смещения расстояния "исполнения" R2 против часовой стрелки. Как можно видеть, это приводит к тенденции уменьшения расстояния "исполнения" R2. Однако фиксированное расстояние R1 не может уменьшиться. Таким образом, демпфирующая колодка 46 будет стремиться прижаться к кольцевой поверхности 48 демпфирующего механизма, дополняя усилие, создаваемое упругим элементом 38. Трение на поверхности демпфирующей колодки 46 и кольцевой поверхности 48 демпфирующего механизма увеличивается, что приводит к увеличению демпфирования в направлении усиления натяжения ремня.
Как рассмотрено выше, при переходе систем от работы в статическом состоянии к режиму генерации все участки 34, 34', 34'' и 34''' от коленчатого вала до электродвигателя-генератора будут находиться под большим натяжением по сравнению с участком 32 от электродвигателя-генератора до коленчатого вала. Таким образом, усилие, вызывающее выпрямление участка 34 от коленчатого вала до электродвигателя-генератора, будет больше усилия, вызывающего выпрямление участка 32 от электродвигателя-генератора до коленчатого вала. В предпочтительном варианте осуществления, изображенном на фиг.1, это вызывает принудительное смещение второго соединительного рычага 44 и связанного с ним второго шкива 26 натяжного устройства в положение, которое позволяет приводному ремню 30 на участке 34 от коленчатого вала до электродвигателя генератора проходить по траектории наименьшей возможной длины. Как показано, это равнозначно ситуации, при которой второй соединительный рычаг 44 принимает положение, при котором он по существу перпендикулярен выпрямленному приводному ремню 30 на участке 34 от коленчатого вала до электродвигателя-генератора. При данной конкретной геометрии обеспечивается достижение вторым шкивом 26 натяжного устройства предела его перемещения в направлении ослабления натяжения ремня при одновременном отклонении приводного ремня 30, и такая геометрия является наиболее предпочтительной. Однако также предусмотрено, что в менее предпочтительном варианте осуществления поворот второго соединительного рычага 44 вокруг основной оси 40 поворота может быть ограничен за счет установки упоров. Тем не менее, также подразумевается, что размещение основной оси 40 поворота совместно со вторым соединительным рычагом 44 определенной длины может быть таким, что участок 34 от коленчатого вала до электродвигателя-генератора может стать прямолинейным до того, как второй шкив 26 натяжного устройства достигнет конца своего хода перемещения. В любом из указанных случаев приводной ремень 30 будет проходить по самой короткой возможной траектории на участке 34 от коленчатого вала до электродвигателя-генератора.
Если бы это изменение положения на участке 34 от коленчатого вала до электродвигателя-генератора происходило без другого соответствующего события, статическое натяжение в системе 10 ременного привода уменьшилось бы. Однако поворот второго соединительного рычага 44 вокруг основной оси 40 поворота создает напряжение в упругом элементе 38, что, в свою очередь, приводит к увеличению усилия поджима, действующего на первый соединительный рычаг 42. Это вызывает соответствующее увеличение усилия натяжения, создаваемого с помощью первого шкива 16 натяжного устройства на приводном ремне 30 на участке 32 от электродвигателя-генератора до коленчатого вала. Соответственно, статическое натяжение приводного ремня 30 остается в значительной степени неизменным при переключении режимов работы со статического, или режима без движения, на режим генерации. Анализ будет таким же при переключении режимов работы с запуска на генерацию.
При переключении с режима генерации на режим запуска имеет место противоположная ситуация. То есть, первый шкив 16 натяжного устройства достигает предела своего перемещения в направлении ослабления натяжения. Усилие натяжения на втором шкиве 26 натяжного устройства увеличивается. Статическое натяжение приводного ремня 30 остается в значительной степени неизменным.
Настоящее изобретение, раскрытое с помощью описанных вариантов осуществления, позволяет выполнить существенную оптимизацию эксплуатационных качеств и рабочих характеристик в долгосрочном и краткосрочном периодах и выбрать ремень оптимальным образом, при этом одновременно оно позволяет в значительной степени снизить затраты и сложность и улучшить способность приспосабливания к тем системам стартеров-генераторов, для которых оно может быть применено.
Вышеприведенное описание и иллюстративные примеры осуществления настоящего изобретения были проиллюстрированы на чертежах и подробно описаны, при этом были приведены различные модификации и альтернативные варианты осуществления. Однако следует понимать, что представленное выше описание изобретения приведено только в качестве примера и что объем изобретения должен быть ограничен только формулой изобретения, интерпретируемой с учетом известного уровня техники. Более того, изобретение, раскрытое здесь с помощью иллюстративных примеров, может быть реализовано на практике при отсутствии любого элемента, что не раскрыто здесь конкретно.
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к натяжным устройствам ременного привода. Усовершенствованное натяжное устройство 28 для системы 10 ременного привода, которая включает в себя шкив 24 коленчатого вала, шкив вспомогательного устройства, шкив 14 электродвигателя-генератора и приводной ремень 30, охватывающий указанные шкивы, содержит место для крепления, первый шкив 16, второй шкив 26, поджимающий элемент, ось поворота 40, первый рычаг 42, поворачивающийся вокруг оси поворота 40 и проходящий от первого соединения у оси поворота 40 до соединения у первого шкива 16, и второй рычаг 44, поворачивающийся вокруг оси поворота 40 и проходящий от второго соединения у оси поворота 40 до соединения у второго шкива 26, при этом поджимающий элемент механически связан с первым рычагом 42 и вторым рычагом 44, обеспечивая взаимный поджим с их перемещением. Технический результат заключается в увеличении натяжения на приводном ремне. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 7 ил.
| DE 19849659 A1, 04.05.2000 | |||
| DE 4243451 A1, 23.06.1994 | |||
| НАТЯЖНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧ С ГИБКОЙ СВЯЗЬЮ | 1996 |
|
RU2122669C1 |
