Область техники
Настоящее изобретение в общем относится к вспомогательным системам ременного привода двигателя внутреннего сгорания, которые имеют единое устройство, выполняющее и функцию запуска двигателя, и функцию генерирования электроэнергии; такой электродвигатель/генератор иногда называется термином «Ген-Стар». В частности, настоящее изобретение относится к упомянутым системам, применяемым в автомобильной технике. Более определенно, настоящее изобретение относится к конфигурации систем ременного привода, имеющих электродвигатель/генератор и демпфируемое натяжное устройство.
Уровень техники
Двигатели внутреннего сгорания обычно используют системы ременного привода передачи мощности, которые отбирают мощность с коленчатого вала двигателя и направляют ее в одно или более различных вспомогательных устройств двигателя. В автомобильной технике этими вспомогательными устройствами являются следующие: насосы усилителя рулевого управления, водяные насосы, компрессоры кондиционирования воздуха, топливные насосы и генераторы переменного тока. Исторически в этих двигателях основным пунктом съема мощности был коленчатый вал, выступающий из задней стороны двигателя и с которым соединена кинематическая цепь для привода колес и движения автомобиля. Вспомогательные устройства приводятся в действие от шкива, установленного спереди коленчатого вала. Каждое вспомогательное устройство имеет шкив. Все шкивы имеют механическое сообщение посредством одного или нескольких ремней передачи мощности, проходящих по ним. Для каждого ремня передачи мощности применяется некоторый способ натяжения. Ремень передачи мощности, шкивы и устройства, осуществляющие натяжение ремня, образуют вспомогательную систему ременного привода.
Применявшиеся ранее системы имели несколько клиновых ремней. Обычно каждый ремень натягивался ручной регулировкой с фиксированием - для каждого ремня - положения по меньшей мере одного вспомогательного устройства или натяжного шкива. Они называются ременными приводами с блокированным центром, поскольку автоматическое перемещение шкивов для учета изменений состояния ремня или привода в целом не предусматривается. Если ремень необходимо растянуть или иным образом удлинить, то натяжение ремня ослабляют. Для надлежащей работы системы ременного привода натяжение ремня должно быть достаточно сильным, сообразным состоянию наихудшего случая. Состояния наихудшего случая могут возникнуть при экстремальных температурах, в условиях экстремальной эксплуатации двигателя или вспомогательных устройств.
Ранее появилась тенденция уменьшать объем моторного отделения в автомобилях. В связи с уменьшением моторного отделения некоторые узлы двигателей стали иметь меньший размер, включая вспомогательные системы ременного привода. Отчасти это было осуществлено путем сокращения числа используемых ремней. При исключении какого-либо ремня число структурных уровней перед двигателем при этом сокращается, и общее расстояние от передней части двигателя до системы ременного привода уменьшается. В конечном счете это привело к использованию единого многоходового ремня для многих устройств. Многоходовой ремень назван так потому, что он проходит по разным шкивам, неоднократно изгибаясь, и идет как вперед, так и назад. Клиновой ребристый, или Micro-V (зарегистрированный товарный знак The Gates Rubber Company), ремень наиболее пригоден для многоходовых применений.
Ограничения, присущие натяжению ремня с блокированным центром, усугубляются в многоходовых применениях. Соответственно, наиболее современные многоходовые ременные приводы имеют автоматическое натяжное устройство, с помощью которого лучшим образом учитываются изменяющиеся состояния системы ременного привода. Автоматическое натяжное устройство в основном состоит из рамы, которая непосредственно или косвенно прикреплена к блоку цилиндров двигателя, из шкива, который прижимает ремень в плоскости вращения системы ременного привода. Подвижный элемент проходит между рамой и шкивом и отклоняется, чтобы обеспечивать давление на ремень посредством шкива. Давление удлиняет расстояние, по которому проходит ремень, и тем самым натягивает ремень. Для обеспечения смещающего усилия используются различные методы и геометрии. Обычно упругий элемент, такой как стальная пружина, принудительно приводит подвижный элемент в линейное или вращательное движение, в результате чего шкив перемещается в направлении к поверхности ремня, который, в свою очередь, увеличивает натяжение, воздействующее на ремень.
Натяжное устройство с помощью только этих элементов отчасти обеспечивает постоянное усилие, воздействующее на поверхность ремня, когда система находится в состоянии покоя (т.е. шкивы не вращаются). Нестабильность приводной системы в смысле ее габаритов, возникающая с течением времени, обусловливаемая изменениями температуры или изготовления, довольно хорошо учитывается за счет действия упругого элемента: по меньшей мере до пределов линейности упругого элемента и геометрии натяжного устройства. Поэтому натяжение ремня остается относительно постоянным, когда система находится в состоянии покоя, хотя ремень может быть растянутым, или двигатель может быть горячим или холодным. Но натяжное устройство только с этими элементами не может сохранять соответствующее натяжение ремня во всех эксплуатационных условиях системы.
Работающая система ременного привода колеблется под воздействием крутильных колебаний, или другого углового ускорения коленчатого вала, или вспомогательных устройств, под влиянием неуравновешенных состояний или других влияющих факторов. Крутильное колебание коленчатого вала происходит, отчасти, в результате определенных импульсов, получаемых коленчатым валом от циклов сгорания каждого цилиндра и комбинации поршней. Колебания приводят к вибрации ремня. Это, в свою очередь, приводит к вибрации подвижных частей натяжного устройства. При этом в этих подвижных частях создается количество движения, изменяющее усилие, которое шкив оказывает на поверхность ремня и на натяжение ремня. Изменение натяжения ремня может обусловить неприемлемые рабочие характеристики системы ременного привода. Например, могут возникнуть проблемы краткосрочных рабочих характеристик, когда ремень системы ременного привода излишне проскальзывает, ограничивая кпд системы или способность передавать мощность, либо когда он слишком шумно работает из-за проскальзывания, или по иным причинам. В другом случае мера обязательного натяжения ремня, будучи приемлемой для краткосрочных рабочих характеристик, вызывает проблемы долгосрочной работы, такие как преждевременный отказ одного или более компонентов системы, включая ремень, или одного, или нескольких вспомогательных устройств.
Для решения этих проблем и за счет этого улучшения рабочих характеристик натяжных устройств в их состав включены демпфирующие устройства. Демпфируемые натяжные устройства предусматривают симметричное демпфирование, когда движение подвижных частей натяжных устройств демпфируется приблизительно равномерно как в случае мгновенного движения в направлении увеличения натяжения ремня, так и в направлении уменьшения натяжения ремня. Другие виды натяжных устройств использовали асимметричное демпфирование. Обычно эти натяжные устройства демпфируются таким образом, что демпфирование подвижной части минимальное, когда натяжное устройство перемещается в направлении натяжения ремня, и максимальное, когда оно перемещается в направлении ослабления ремня.
Некоторые технические решения асимметричного демпфирования имели пассивный характер. Само по себе направление перемещения подвижных частей создает разные характеристики демпфирования. Согласно одному из решений колодка смещается к поверхности качения под углом к поверхности качения, который отличается от прямого угла. В результате этого относительное перемещение колодки и поверхности качения в одном направлении поднимает колодку с поверхности качения. За счет этого снижается давление на их границе, снижается обусловливающее демпфирование трение, и поэтому уменьшается демпфирование. Другое направление вклинивает колодку в поверхность качения и увеличивает демпфирование - согласно Фиг.2. В соответствии с еще одним техническим решением, описываемым в патенте США № 5439420, Meckstroth et al., демпфирующая жидкость направляется через различные отверстия посредством клапанов, в зависимости от движения подвижных частей натяжного устройства. Когда натяжное устройство перемещается в направлении натяжения, жидкость проходит через относительно крупное отверстие или канал, который оказывает небольшое сопротивление движению жидкости и создает небольшое демпфирование. В направлении ослабления жидкость проходит через относительно небольшое отверстие или канал, который оказывает повышенное сопротивление и создает большее демпфирование.
Еще одно техническое решение асимметричного демпфирования натяжного устройства является активным и описано в патенте США 5439420. Согласно этому патенту представлены два активных асимметричных осуществления. В соответствии с одним из осуществлений электрический соленоид приводит в действие тормозные колодки. Когда действуют колодки, перемещение натяжного устройства демпфируется в обоих направлениях. Помимо этого, клин взаимодействует с колодками и изменяет усилие, с которым они приводятся в действие при перемещении натяжного устройства. Демпфирование увеличивается, когда натяжное устройство перемещается в направлении ослабления, и уменьшается, когда оно перемещается в направлении натяжения. Согласно другому осуществлению соленоид приводит в действие поршень, который изменяет маршрут жидкости и тем самым изменяет демпфирование. Еще одно техническое решение натяжного устройства, описываемое в этом патенте США, аналогично двум активным асимметрично демпфируемым натяжным устройствам применяет соленоид, в котором действует блокирующая характеристика, которая переключает натяжное устройство между двумя режимами работы. В одном из режимов натяжное устройство приводит в действие автоматическое натяжное устройство. В другом режиме подвижные части блокируются, в результате чего натяжное устройство действует в основном так же, как и натяжное устройство с блокированным центром.
Патент США № 5439420 направлен на решение проблемы неприемлемых рабочих характеристик системы ременного привода, создаваемых инерционными усилиями вращающихся масс вспомогательных устройств и натяжных шкивов во время их быстрого замедления. Как указано выше, при резком замедлении вращения коленчатого вала двигателя «из-за значительной вращательной инерции генератора переменного тока тот продолжает вращаться, и поэтому он двигает натяжное устройство в направлении, в котором ремень [описываемой определенной конфигурации привода] ослабляется..., в результате чего приводной ремень (sic) проскальзывает...».
Обычно электродвигатель стартера поворачивает коленчатый вал двигателя, чтобы смогло инициироваться сгорание и чтобы запустился двигатель. Электродвигатель стартера расположен вблизи задней части двигателя и выполнен с возможностью прерывистого приведения в действие задней части коленчатого вала посредством кинематической цепи.
В настоящее время предъявляются все более настоятельные требования по снижению выбросов автомобиля в окружающий воздух и повышению экономии топлива путем уменьшения веса автомобиля и уменьшения числа подкапотных компонентов. Один из подходов к решению этих задач предполагает сочетание функции электродвигателя стартера и функции генератора переменного тока в едином устройстве - в электродвигателе/генераторе или «Ген-Стар». Также в целях повышения экономии топлива «Ген-Стар» интенсивно применяет так называемую характеристику «стоп-при-холостом». Согласно этой характеристике двигателю позволяется снижать обороты, когда он обычно работает на холостом ходу, затем - вновь запускаться, когда автомобиль должен возобновить движение. Эта характеристика существенно повышает требования, которые должны выполнять вспомогательные ременные приводы. При осуществлении электродвигатель/генератор находится в механической связи с коленчатым валом через вспомогательный приводной ремень. Электродвигатель/генератор и соответствующая вспомогательная система ременного привода обычно расположены перед двигателем. Но предполагается также размещение этих систем и в других местоположениях, включая размещение за двигателем.
Внедрение систем «Ген-Стар» ставит перед конструкторами систем ременного привода передачи мощности новые трудные задачи. Одна из них заключается в разработке такой приемлемо работающей системы натяжения со вспомогательным ременным приводом, имеющим это новое устройство, которая не только обеспечивает существенную нагрузку и вращательную инерцию, но также добавляет значительный приводной крутящий момент для вспомогательного ременного привода. Причем этот значительный приводной крутящий момент обеспечивается на прерывистой основе.
Система натяжения, указываемая как техническое решение натяжения вспомогательного ременного привода, имеющего либо просто электродвигатель стартера, либо электродвигатель/генератор, раскрыта в двух патентах Японии: № 3129268 от 17 ноября 2000 г. и № 3195287 от 21 ноября 2000 г. Согласно этим патентам автоматическое натяжное устройство установлено напротив того участка ремня, который становится самым слабым, когда электродвигатель/генератор находится в режиме запуска, при этом исключая занимаемый натяжным устройством участок. Этот участок соответствует тому участку, который принимает ремень сразу после того, как тот пройдет по шкиву электродвигателя/генератора, когда ремень двигается в своем обычном рабочем направлении.
Указанная система натяжения оказалась ниже оптимальной. Ее можно усовершенствовать в целях одновременного улучшения рабочих характеристик краткосрочной и долгосрочной работы и для уменьшения ширины ремня.
Соответственно, остается необходимость в системе натяжения, которая обеспечит одновременно и улучшение краткосрочных и долгосрочных рабочих показателей, и уменьшение ширины ремня, и которую можно будет использовать для любого данного применения.
Сущность изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении вспомогательной системы ременного привода, которая улучшает комбинацию краткосрочных и долгосрочных рабочих характеристик и оптимизирует выбор ремня.
Еще одна задача настоящего изобретения заключается в обеспечении асимметричного натяжного устройства с конфигурацией, которая в большей степени оптимизирует краткосрочные и долгосрочные рабочие характеристики и ширину ремня.
Для решения указанных выше и прочих задач в соответствии с настоящим изобретением, осуществляемым и в общем раскрытым здесь, описывается вспомогательная приводная система, содержащая электродвигатель/генератор. Изобретение представляет собой усовершенствованный двигатель внутреннего сгорания, имеющий коленчатый вал, вспомогательное устройство, электродвигатель/генератор и систему ременного привода. Система ременного привода включает в себя шкив коленчатого вала, шкив вспомогательного устройства, шкив электродвигателя/генератора, натяжное устройство ремня, шкив натяжного устройства ремня, ремень передачи мощности, проходящий по шкиву коленчатого вала, шкив вспомогательного устройства, шкив электродвигателя/генератора и шкив натяжного устройства ремня. Шкив натяжного устройства ремня контактирует с ремнем на участке слабой стороны при запуске. Система усовершенствована за счет натяжного устройства, которое асимметрично смещается в направлении натяжения ремня передачи мощности.
Перечень чертежей
Прилагаемые чертежи, составляющие часть данного описания, на которых аналогичные ссылочные обозначения обозначают аналогичные детали, показывают предпочтительные осуществления настоящего изобретения в совокупности с описанием и поясняют принципы изобретения, и на которых:
Фиг.1 схематически представляет предпочтительное осуществление конфигурации вспомогательной системы ременного привода, имеющей электродвигатель/генератор.
Фиг.2 - перспективное изображение с пространственным разнесением деталей натяжного устройства, являющегося частью предпочтительной вспомогательной системы ременного привода, имеющей электродвигатель/генератор.
Фиг.3 схематически представляет альтернативное предпочтительное осуществление вспомогательной системы ременного привода, имеющей электродвигатель/генератор.
Фиг.4 - деталь альтернативного натяжного устройства, являющегося частью альтернативной предпочтительной вспомогательной системы ременного привода, имеющей электродвигатель/генератор.
Фиг.5 схематически представляет альтернативное предпочтительное осуществление вспомогательной системы ременного привода конфигурации, имеющей электродвигатель/генератор.
Фиг.6 - деталь альтернативного натяжного устройства, являющегося частью альтернативной предпочтительной вспомогательной системы ременного привода, имеющей электродвигатель/генератор.
Фиг.7 - деталь альтернативного натяжного устройства, являющегося частью альтернативной предпочтительной вспомогательной системы ременного привода, имеющей электродвигатель/генератор.
Фиг.8 - блок-схема маршрута управляющего сигнала.
Фиг.9 - график установочного натяжения на каждом участке вспомогательной системы ременного привода, на которую воздействует демпфирование соответствующего натяжного устройства.
Фиг.10 - график натяжения в режиме, создающем полную нагрузку, на каждом участке вспомогательной системы ременного привода, на которую воздействует демпфирование соответствующего натяжного устройства.
Фиг.11 - график натяжения в режиме запуска на каждом участке вспомогательной системы ременного привода, на которую воздействует демпфирование соответствующего натяжного устройства.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления настоящего изобретения
Предпочтительное осуществление вспомогательной системы 10 ременного привода показано на Фиг.1. Она содержит электродвигатель/генератор 12, шкив 14 электродвигателя/генератора, натяжное устройство 26, шкив 28 натяжного устройства, шкив 18 насоса усилителя рулевого управления, шкив 20 водяного насоса, шкив 22 компрессора кондиционирования воздуха, шкив 24 коленчатого вала, натяжной шкив 16 и ремень 30 передачи мощности. Часть ремня 30 передачи мощности, которая заслонила бы натяжное устройство 26, изъята.
Хотя описываются определенные вспомогательные шкивы в определенном геометрическом расположении, необходимо отметить, что настоящее изобретение применимо к разным числу и сочетаниям вспомогательных устройств и геометрических расположений, включая и многоходовую, и прямую конфигурации, в зависимости от конкретного применения. Иллюстрируется многоходовая конфигурация. Ремень 30 передачи мощности обычно является клиновым ребристым ремнем. Но данное изобретение можно осуществить и для всех типов ремня. Данное изображение можно рассматривать как одну плоскость ремня/шкивов во вспомогательной системе ременного привода, имеющей несколько ремней.
Стрелка, помеченная как «ход ремня», указывает направление хода ремня во время обычной работы в обоих режимах генерирования электроэнергии и запуска. Далее вниз по пути ремня 30 передачи мощности движение идет в том же направлении, что и ход ремня. Для движения против хода ремень идет в противоположном направлении.
Направление крутящего момента на шкиве 14 электродвигателя/генератора и шкиве 24 коленчатого вала изменяется на противоположное в зависимости от режима работы вспомогательной системы 10 ременного привода, как указано стрелкой «запуск» и «генерирование» на каждом из шкивов 14 и 24, соответственно. В режиме генерирования электроэнергии шкив 24 коленчатого вала обеспечивает весь приводной крутящий момент. Шкив 22 компрессора кондиционирования воздуха, шкив 20 водяного насоса, шкив 18 насоса усилителя рулевого управления потребляют весь приводной крутящий момент, с небольшим его потреблением холостым шкивом 16 и шкивом 28 натяжного устройства. Очевидно, что между шкивом 24 коленчатого вала и шкивом 14 электродвигателя/генератора будет иметься свободный прогон, но из-за присутствия холостого шкива 16 это будет прогоном, который имеет наименьшее натяжение в этом режиме. Это - участок А/В слабой стороны генерирования электроэнергии.
В режиме запуска шкив 14 электромотора/генератора обеспечивает весь крутящий момент. Шкив 24 коленчатого вала, шкив 22 компрессора кондиционирования воздуха, шкив 20 водяного насоса и шкив 18 насоса усилителя рулевого управления потребляют приводной крутящий момент, с небольшим потреблением его холостым шкивом 16 и шкивом 28 натяжного устройства. Очевидно, что участок, который будет между шкивом 14 электродвигателя/генератора и шкивом 18 насоса усилителя рулевого управления, с исключением холостого шкива 16, является участком с наименьшим натяжением в этом режиме. Это - участок C/D слабой стороны запуска.
Как правило, и независимо от режима работы, если предполагается, что каждый шкив имеет возможность свободного вращения, то натяжение на каждом участке будет одинаковым и статическим. Статическое натяжение является результатом усилия, прилагаемого к ремню 30 передачи мощности натяжным устройством 26 через шкив 28 натяжного устройства и удлиняющего расстояние, которое ремень 30 передачи мощности принужден пройти по всем шкивам. Это соответствует установочному или задающему натяжению при первой установке натяжного устройства в системе и при обеспечении натяжения системе. Но когда крутящий момент создается и потребляется различными шкивами вспомогательной системы 10 ременного привода, например, когда вспомогательная система 10 ременного привода действует, натяжение каждого участка изменяется.
В обычном или в генерирующем электроэнергию режиме шкив 24 коленчатого вала и участок G натянутой стороны генерирования обеспечивают крутящий момент и являются участком наиболее сильного натяжения, соответственно. На каждом участке, до участка G натянутой стороны генерирования электроэнергии, натяжение ремня 30 передачи мощности ослабевает по причине потребления крутящего момента каждым шкивом, непосредственно предшествующим этому участку. Шкив 14 электродвигателя/генератора представляет наибольшую нагрузку в большинстве случаев. Соответственно, наибольшая разница натяжения, по причине нагрузки, обычно появляется при переходе от участка C/D слабой стороны запуска к участку А/В слабой стороны генерирования электроэнергии.
В обычной вспомогательной системе ременного клинового ребристого привода главными моментами конструирования являются следующие: 1) ширина ремня (обычно указывается числом ребер) и выбор типа, относящийся к крутящему моменту, создаваемому и потребляемому; 2) выбор статического натяжения, которое должно быть ниже натяжения, напрягающего либо ремень, либо компоненты системы и не достигающего момента сокращения срока службы: меньше приемлемого срока и свыше момента, после которого начинается неприемлемое проскальзывание. На сроке службы ремня также сказывается выбор и типа ремня, и ширины его. И также между двумя этими основными моментами конструирования существует взаимозависимость.
Постоянной задачей конструктора вспомогательной системы ременного привода является оптимизирование этих обоих моментов - в свете себестоимости и усложненности. Оптимизация достигается путем подбора многих геометрических параметров и параметров материалов, известного специалисту в данной области техники. В их числе - расположение ведущих и ведомых шкивов, основывающееся на инерционных и иных крутящих моментах, представляемых каждым из них.
Приводные системы, включающие в свой состав электродвигатель/генератор, представляют новые и трудные ограничения, до сих пор не поддававшиеся практической оптимизации. Причина этих трудностей в том, что шкивы, обеспечивающие крутящий момент и представляющие наибольшую нагрузку и инерционный крутящий момент, являются разными с точки зрения режима работы. Причем более значительные нагрузки инерционного крутящего момента представлены чаще, чем они обычно имеют место в обычной системе привода.
В режиме запуска электродвигатель/генератор 12 обеспечивает приводной крутящий момент. Участок А/В слабой стороны генерирования электроэнергии является участком наибольшего натяжения. В противоположность режиму генерирования электроэнергии шкив 24 коленчатого вала представляет наибольшую нагрузку. Аналогично, наибольшая разница натяжения, из-за нагрузки, имеет место между участком А/В слабой стороны генерирования электроэнергии и участком G натянутой стороны генерирования электроэнергии. Очевидно, что оптимизирующая компоновка в режиме генерирования электроэнергии существенно отличается от компоновки, которая оптимизирует режим запуска.
Компоновка описываемого предпочтительного осуществления изложена в известном уровне техники. Но в уровне техники отсутствует оптимизация, которую можно достичь за счет некоторых коэффициентов демпфирования, прилагаемого к натяжному устройству 26. Был проведен количественный расчет эффектов нескольких демпфирующих схем. Была просчитана компоновка, аналогичная Фиг.1, со всеми теми же компонентами, включая ремень 30, с точки зрения типа и числа ребер, и в той же последовательности. В отношении этой компоновки были применены три разные характеристики натяжного устройства. В одном натяжном устройстве демпфирования не предусматривалось. Другое демпфировалось симметрично с 20-процентным коэффициентом демпфирования. Третье демпфировалось асимметрично с 80-процентным коэффициентом демпфирования в направлении ослабления ремня и 30-процентным демпфирующим коэффициентом в направлении натяжения ремня. Коэффициенты демпфирования были одинаковыми для обоих режимов запуска и генерирования электроэнергии. Все вспомогательные нагрузки и нагрузки ускорения/замедления были учтены и использованы соответственно для каждой из трех характеристик натяжного устройства. Результаты были представлены для установочного натяжения - Фиг.9; натяжений в режиме генерирования электроэнергии с полной нагрузкой, нужной для электродвигателя/генератора - Фиг.10; и натяжений в режиме запуска - Фиг.11.
При запуске электродвигатель/генератор обеспечивает крутящий момент для привода коленчатого вала. Натяжения ремня в участке В и участке А будут значительными, а натяжения в остальных участках будут относительно низкими. Разница между натянутыми участками В и А и слабыми участками G, F, E, D является эффективным натяжением. Натяжение в натянутых участках растягивает ремень в этих двух участках. Эта дополнительная часть ремня накапливается на участке C/D слабой стороны запуска, в результате чего шкив 28 в натяжном устройстве перемещается к ремню 30. В тех случаях, когда характеристики натяжного устройства 26 предусматривают демпфирование, смещение к шкиву 28 будет уменьшаться, и поэтому натяжение на участке C/D тогда ослабнет по причине демпфирования. Согласно расчету порогового значения проскальзывания в системе 10 натяжения, требуемые для натянутой стороны - участка В и для слабой стороны - участка С для передачи пускового крутящего момента без проскальзывания ремня и для удовлетворительной работы во всех ситуациях, ожидаемых при работе системы ременного привода, представлены на Фиг.11.
Фиг.10 показывает натяжение в каждом участке в режиме генерирования электроэнергии при работе с полной нагрузкой. Во время этой работы все натяжения участков одинаковы для каждого из уровней демпфирования. Необходимо отметить, что снижение натяжения в электродвигателе/генераторе является разницей между натяжением в участке С и участке В с 672 до 115 Н, соответственно, что равно перепаду в 557 Н.
Фиг.9 показывает установочное натяжение, нужное системе 10 для удовлетворительной работы; характеристика демпфирования каждого натяжного устройства 26 смоделирована. Нужно отметить, что установочное натяжение, нужное системе 10 с натяжным устройством 26, без демпфирования, составляет 679 Н; при этом натяжное устройство 26 имеет характеристику симметричного демпфирования величиной в 631 Н, и натяжное устройство 26 имеет характеристику асимметричного демпфирования величиной в 513 Н.
Из этих количественных расчетов следует, что демпфирование в натяжном устройстве 26 значительно снижает величину натяжения, первоначально требуемого для его установки натяжным устройством 26. Это означает удлинение срока службы ремня 30 и всех других компонентов, если все другие параметры системы 10 остаются постоянными. Либо конструктор ременной системы может предпочесть воспользоваться преимуществом характеристики демпфируемого натяжного устройства, чтобы модифицировать различные компоненты системы 10 в целях снижения себестоимости ремня 30 или другого компонента.
В этом первом предпочтительном осуществлении натяжное устройство 26 содержит шкив 28 натяжного устройства, рычаг 32 натяжного устройства, прокладку 34, первую шарнирную втулку 36, основание 38 натяжного устройства, содержащее демпфирующую поверхность 48; пружину 50, имеющую первый пружинный конец 56 и второй пружинный конец 58; демпфирующий вкладыш 52, имеющий демпфирующую колодку 46, стенку 54 демпфирующей колодки и гнездо 60 для пружинного конца; вторую шарнирную втулку 40, шарнирный вал 42, имеющий опорную поверхность демпфирующей колодки и концевую крышку 44. Взаимосвязи деталей натяжного устройства 26 в собранном состоянии показаны на Фиг.2. Более подробно, пружина 50 входит в основание 38 натяжного устройства прикрепленным к ней первым пружинным концом 56 (не показано). Второй пружинный конец 58 находится в демпфирующем вкладыше 52 внутри гнезда 60 для пружинного конца. Рычаг 52 натяжного устройства имеет фиксированную взаимосвязь с шарнирным валом 42. При вращении рычага 32 натяжного устройства относительно основания 38 натяжного устройства кручение сообщается пружине 50 за счет вращения шарнирного вала 42, вращающего опорную поверхность 62 демпфирующей колодки, которая (опорная поверхность) упирается в стенку 54 демпфирующей колодки. Это, в свою очередь, вызывает вращение демпфирующего вкладыша 52, который воздействует на пружину 50 в месте соединения гнезда 60 для пружинного конца и второго пружинного конца 58. Расстояние между стенкой 54 демпфирующей колодки и опорной поверхностью 62 демпфирующей колодки от центра шарнирного вала 42 в основном определяет симметрию демпфирования, создаваемого на границе между демпфирующей колодкой 46 и демпфирующей поверхностью качения 48. Чем большим будет это расстояние в радиальном направлении, тем большей будет асимметрия демпфирования. Указано, что натяжное устройство 26 имеет 80-процентный коэффициент демпфирования в направлении ослабления и 30-процентный коэффициент демпфирования в направлении натяжения согласно одному из упоминаемых выше количественных расчетов.
Для конфигурации согласно Фиг.2, если состояние ремня 30 передачи мощности позволяет, то пружина 50 ослабевает. В свою очередь, шкив 28 натяжного устройства на рычаге 32 натяжного устройства поворачивается вокруг шарнирного вала 42 по часовой стрелке и в направлении натяжения, указанном на Фиг.1. Пружина 50 в сочетании с опорной поверхностью 62 демпфирующей колодки прижимает демпфирующую колодку 46 к демпфирующей поверхности качения 48. При этом движение по часовой стрелке в совокупности с геометрической взаимосвязью демпфирующей опорной поверхности 62 со стенкой 54 демпфирующей колодки перемещает демпфирующую колодку 46 по часовой стрелке к демпфирующей поверхности качения 48, обусловливая демпфирующее трение. Демпфирующее трение уменьшает смещение, прилагаемое шкивом 28 натяжного устройства к ремню 30 передачи мощности. Но движение по часовой стрелке и взаимосвязь демпфирующей опорной поверхности 62 с демпфирующей стенкой 54 снижают усилие контактирования колодки 46 с поверхностью качения 48. Таким образом, демпфирующее трение уменьшается, когда шкив 28 натяжного устройства вращается в направлении натяжения.
Когда состояние ремня 30 передачи мощности заставляет шкив 28 натяжного устройства вращаться в направлении ослабления, преодолевая усилие пружины 50, движение против часовой стрелки и взаимосвязь опорной поверхности 62 демпфирующей колодки со стенкой 54 демпфирующей колодки увеличивают усилие контактирования колодки 46 с поверхностью качения 48. Поэтому демпфирующее трение увеличивается, когда шкив 28 натяжения вращается в направлении ослабления. Демпфирующее трение увеличивает смещение, которое шкив 28 натяжного устройства прилагает к ремню 30 передачи мощности. Соответственно, натяжное устройство 26 одновременно и смещается асимметрично, и демпфируется.
Еще одно предпочтительное осуществление показано на Фиг.3 и 4. Натяжное устройство 126 имеет главный шарнир 140, демпферный шарнир 142, демпферный рычаг 144, демпферную колодку 146, демпферную поверхность качения 148, смещающую пружину 150, зубцы 152 храповика, защелку 154, шарнир 156 защелки, плунжер 158, соленоид 160 и проводники 162. Шкив 28 натяжного устройства, демпферная поверхность качения 148, зубцы 152 храповика, смещающая пружина 150 и главный шарнир 140 установлены на раме 162 натяжного устройства. Согласно этому осуществлению смещающая пружина 150 является стальной спиралью. Можно использовать и прочие упругие элементы, включая эластомерные или пневматические элементы. Смещающая пружина 150 смещает шкив 28 натяжного устройства. В режиме генерирования электроэнергии защелка 154 и зубцы 152 храповика разъединяются, как показано на чертеже.
Если состояние ремня 30 передачи мощности позволяет, то пружина 150 удлиняет расстояние, охватываемое смещающей пружиной. В свою очередь, шкив 28 натяжного устройства на раме 164 натяжного устройства вращается вокруг главного шарнира 140 по часовой стрелке и в направлении натяжения, указанном на Фиг.4. При этом движение по часовой стрелке вместе с геометрической взаимосвязью главного шарнира с демпферным шарниром перемещает поверхность качения 148 по часовой стрелке под демпферной колодкой 146, обусловливая демпфирующее трение. Демпфирующее трение уменьшает смещение, которое шкив 28 натяжного устройства прилагает к ремню 30 передачи мощности. Но перемещение по часовой стрелке и взаимосвязь шарниров 140 и 142 уменьшают усилие контактирования колодки 146 с поверхностью качения 148. Таким образом, демпфирующее трение уменьшается, когда шкив 28 натяжного устройства вращается в направлении натяжения.
Если состояние ремня 30 передачи мощности заставляет шкив 28 натяжного устройства вращаться в направлении ослабления, преодолевая усилие смещающей пружины 150, то движение против часовой стрелки и взаимосвязь главного и демпферного шарниров 140 и 142 увеличивают усилие контактирования колодки 146 с поверхностью качения 148. Таким образом, демпфирующее трение увеличивается, когда натяжной шкив 28 вращается в направлении ослабления. Демпфирующее трение увеличивает смещение, которое шкив 28 натяжного устройства прилагает к ремню 30 передачи мощности. Без зубцов 152 храповика, защелки 154, шарнира 156 защелки, плунжера 158, соленоида 160 и проводников 162 натяжное устройство 126 является асимметрично демпфируемым натяжным устройством. Увеличение компонентов означает дополнительные затраты и дополнительную усложненность, но позволяет дополнительно оптимизировать систему 10 в виде сниженных первоначально устанавливаемых натяжений натяжным устройством 126.
Если вспомогательная система 10 ременного привода должна работать в режиме генерирования электроэнергии, то датчик 66 режима (Фиг.8) определяет наличие режима генерирования электроэнергии. Датчик режима может быть отдельным электрическим переключателем или реле, действующими всякий раз, когда электродвигатель/генератор 12 принимает электроэнергию, чтобы привести в действие вспомогательную систему 10 ременного привода, либо может быть частью автоматического выключателя зажигания. Датчик 66 режима обычно входит в состав регулятора электродвигателя/генератора. Сигнал, формируемый датчиком 66 режима, поступает в процессор 68 сигнала, который может быть выполнен в виде различных электросхем обработки сигнала и превращения его в сигнал, совместимый с исполнительным механизмом 70. Элементы этого тракта сигнала и соответствующие компоненты, датчик 66 режима, процессор 68 сигнала и исполнительный механизм 70 известны специалистам в данной области техники. Исполнительный механизм 70 этого предпочтительного осуществления содержит соленоид 160 с плунжером 158 и проводниками 162. Хотя данное предпочтительное осуществление предполагает использование электрических сигналов, датчиков, процессоров и исполнительных механизмов, но также предусматривается применение и механических, гидравлических и пневматических сигналов, датчиков, процессоров и исполнительных механизмов.
Сигнал в соленоид 160 поступает по проводникам 162. Соленоид 160 реагирует на сигнал подъемом плунжера 158, в результате чего защелка 154 поворачивается вокруг шарнира 156 защелки к точке зацепления защелки 154 с зубцами 152 храповика. При конфигурации с этим блокирующим фактором шкив 28 натяжного устройства может приводиться в движение от храпового механизма в направлении натяжения, но ограничивается или фиксируется, чтобы исключить движение в направлении ослабления.
Зацепление защелки 154 с зубцами 152 удерживает натяжное устройство 126, которое, в свою очередь, фиксирует ремень 30 передачи мощности на пути, по которому он шел непосредственно перед тем, как вспомогательная система 10 ременного привода была введена в режим генерирования электроэнергии. Соответственно, натяжение вспомогательной системы 10 ременного привода существенно не снижается при переключении режима. Важно, что это обстоятельство обеспечивает возможность выбора статического натяжения за счет упругой характеристики смещающей пружины 150 и общей геометрии натяжного устройства 126, причем оно будет ниже, чем допускаемое применявшимися до сих пор конфигурациями, без отрицательного воздействия на краткосрочные рабочие характеристики.
При переключении режима с генерирования электроэнергии на запуск исполнительный механизм 70 выводится из действия, позволяя защелке 154 отсоединиться от зубцов 152 храповика и позволяя натяжному устройству 126 возвратиться в режим запуска, согласно вышеизложенному.
Действие исполнительного механизма 70 может основываться строго на входном сигнале от датчика 66 режима или от дополнительных параметров, формируемых процессором 68 сигнала. Например, задержку во времени можно предусмотреть в действии процессора 68 сигнала таким образом, чтобы исполнительный механизм 70 продолжал работать в течение заданного времени после того, как датчик 66 режима укажет, что режим переключен. Также целесообразным может оказаться выведение из работы исполнительного механизма 70 по истечении заданного срока независимо от того времени, когда датчик 66 режима даст сигнал о переключении режима. Датчик 66 режима может также определять скорость вращения двигателя, давление в трубопроводе двигателя, крутящий момент на шкиве 24 коленчатого вала или крутящий момент на шкиве 14 электродвигателя/генератора для определения переключения режимов.
Альтернативное предпочтительное осуществление представлено на Фиг.5. Это осуществление аналогично известному уровню техники, за исключением альтернативного натяжного устройства 226, которое содержит монтажную пластину 228, демпфирующий модуль 230, главный шарнир 240 и подвижный элемент 264. Демпфирующий модуль 230 более подробно показан на Фиг.6. Демпфирующий модуль 230 содержит цилиндр 232, поршень 234, обводную трубку 236, магнитную спираль 238, соединительную штангу 242, соединительный штифт 244, корпус 246 и проводники 262. Цилиндр 232 и обводная трубка наполнены реологической текучей средой 233. В этом осуществлении реологическая текучая среда 233 является магнитореологической.
Натяжное устройство 226 имеет гибкий элемент (не показан), который обеспечивает смещение за счет упругой характеристики пружины и поэтому смещает подвижный элемент 264 в направлении натяжения, против часовой стрелки. Упругий элемент может содержать пружину кручения, свернутую пружину или один из других создающих крутящий момент упругих элементов. Он также может содержать рычаг, на который воздействует линейный упругий элемент, для создания крутящего момента. Движение подвижного элемента 264 вокруг главного шарнира 240 механически связано с соединительной штангой 242. Перемещение соединительной штанги 242 двигает поршень 234 внутри цилиндра 232, в результате чего реологическая текучая среда 233 принудительно переходит из цилиндра 232 на одной стороне поршня 234 в цилиндр 232 на другой стороне поршня через обводную трубку 236. В результате этого реологическая текучая среда 233 проходит по сердечнику катушки 238. Возбуждение магнитной катушки 238 посредством проводников 262 налагает магнитное поле на магнитореологическую текучую среду 233 и тем самым повышает вязкость магнитореологической текучей среды 233.
Когда магнитная катушка 238 не находится в возбужденном состоянии, реологическая текучая среда 233 проходит по обводной трубке 236 относительно без ограничений. Таким образом, натяжное устройство 226 относительно свободно от демпфирования. Но когда катушка 238 возбуждается, то обусловливаемое этим возбуждением повышение вязкости реологической текучей среды 233 ограничивает течение реологической текучей среды 233 по обводной трубке 236. Имеется прямая взаимосвязь между напряженностью поля, налагаемого на реологическую текучую среду 233, и создаваемой таким образом вязкостью. В зависимости от размера и формы, выбранных для обводной трубки 236, демпфирование можно повысить до такой степени, при которой натяжное устройство 226 по существу блокируется в нужном положении.
Указанный на Фиг.8 тракт сигнала также действует и в этом осуществлении. Это осуществление обеспечивает дополнительную гибкость в том, как, когда и до какой степени демпфирование будет действовать для натяжного устройства 226. Выбор датчика 66 режима и действие логической схемы в процессоре 68 сигнала обеспечивают возможность тонкой настройки демпфирования натяжного устройства 226. Например, демпфирование можно выбрать на очень высоком его уровне, но в степени, меньшей, чем это необходимо для блокирования натяжного устройства 226 в нужном месте, непосредственно при переключении режима вспомогательной системы 10 ременного привода на генерирование электроэнергии. Натяжное устройство 226, соответственно, сможет реагировать на изменение режима небольшим ослаблением в направлении ослабления. Затем по истечении краткого периода демпфирование можно повысить, чтобы блокировать натяжное устройство 226 в новом местоположении на срок, в течение которого вспомогательная система 10 ременного привода находится в режиме запуска. При этом датчик 66 режима может контролировать работу или положение натяжного устройства 226. Эти данные могут быть обработаны процессором 68 сигнала в целях соответствующего демпфирования или блокирования натяжного устройства 226, чтобы учитывать колебания или вибрацию вспомогательной системы 10 ременного привода или чтобы повторять эффект храповика согласно описанному выше предпочтительному осуществлению.
Реологическая текучая среда 233 может также иметь электрореологический характер. В этом случае электростатические пластины (не показаны) заменяют магнитную катушку 238. Работа и взаимосвязи в общем остаются теми же. Причем храповое устройство первого описываемого выше предпочтительного осуществления с зубцами 152 храповика, защелкой 154, плунжером 158, соленоидом 160 и проводниками 162 можно включить в натяжное устройство 226 путем стационарной установки зубцов 152 на подвижном элементе 264 и установки остальных частей.
На Фиг.7 приведен еще один пример осуществления демпфирующего модуля 230. Здесь реологическая текучая среда 233 заменена гидравлической текучей средой. Соответственно, магнитная катушка 238, обводная трубка 236 и проводники 262 отсутствуют. В этом осуществлении, когда натяжное устройство 226 перемещается в направлении натяжения, гидравлическая текучая среда 256 вытесняется из нижней части цилиндра 232 в основной канал 254, проходит через стопорный шарик 248 и в верхнюю часть цилиндра 232. Поскольку основной канал 254 относительно крупный, направление натяжения в работе дает небольшое демпфирование. Когда натяжное устройство 226 перемещается в направлении ослабления, гидравлическая текучая среда 256 вытесняется из верхней части цилиндра 232 в малый канал 250, в нижнюю часть главного канала 254, и затем - в нижнюю часть цилиндра 232. Малый канал 250 относительно небольшой. Поэтому существенное демпфирование происходит в этом направлении работы натяжного устройства 226. Управляющий поршень 252 показан по существу в отведенном виде. Если предусматривается исполнительный механизм, аналогичный показанному на Фиг.2, то управляющий поршень 252 можно избирательно выдвигать или отводить. Этот описываемый порядок работы предполагает полное отведение управляющего поршня 252. Если управляющий поршень 252 полностью выдвинут, то натяжное устройство 226 все же может перемещаться в направлении натяжения с минимальным демпфированием. Но малый канал 250 закрыт, и поэтому натяжное устройство 226 блокируется по отношению к перемещению в направлении ослабления.
Также предусматривается дополнительное осуществление, аналогичное осуществлению согласно Фиг.4. Зубцы 152 храповика и сопрягающиеся зубцы защелки 154 можно заменить прямой формой зубцов в противоположность приводимой выше конфигурации с пилообразными зубцами. Их действие блокирует натяжное устройство 226 в обоих направлениях натяжения и ослабления. Храповой принцип здесь отсутствует. Причем эти зубцы можно заменить соответствующими тормозящими поверхностями. Это решение обеспечивает возможность существенного управления демпфированием натяжного устройства без доведения демпфирования до степени блокирования.
Демпфирование сочетается с усилиями, прилагаемыми упругим элементом, которые изменяют смещение на границе шкива/ремня. Это изменение приводит к асимметричному смещению даже в том случае, если демпфирование симметричное. Причина этого заключается в уровне смещения, являющемся результатом смещения, осуществляемого упругим элементом, с демпфированием или без такового. Также можно упомянуть, что усилие или сопротивление, добавляемое к смещению, обеспечиваемому упругим элементом или пружиной натяжного устройства, изменяющему окончательную степень смещения ремня и являющемуся демпфированием, действием храповика или блокированием, является сопротивлением обращению направления.
Настоящее изобретение, описываемое в приводимых выше осуществлениях, обеспечивает значительную оптимизацию краткосрочных и долгосрочных рабочих характеристик, при этом существенно снижает себестоимость и усложненность.
Изложенное выше описание и поясняющие примеры осуществления настоящего изобретения показаны на чертежах и подробно описаны в различных модификациях и на примере альтернативных осуществлений. Но разумеется, что приведенное выше описание изобретения приводится только в качестве примера, и что объем изобретения ограничивается только формулой изобретения в свете известного уровня техники. Помимо этого, изобретение, раскрытое здесь в качестве пояснения, может быть соответственно применимо также и без какого-либо элемента, особо здесь не упоминаемого.
Настоящее изобретение является двигателем внутреннего сгорания, имеющим коленчатый вал, вспомогательное устройство, электродвигатель/генератор (12) и систему (10) ременного привода. Система (10) ременного привода содержит шкив (24) коленчатого вала, шкив вспомогательного устройства, шкив (14) электродвигателя/генератора, натяжное устройство (26) ремня, шкив (28) натяжного устройства ремня и ремень (30) передачи мощности, проходящий по шкиву (24) коленчатого вала, шкиву вспомогательного устройства, шкиву (14) электродвигателя/генератора и шкиву (28) натяжного устройства ремня. Шкив (28) натяжного устройства контактирует с ремнем (30) на участке (C/D) слабой стороны запуска. Натяжное устройство (26) асимметрично смещается в направлении натяжения ремня (30) передачи мощности. Технический результат заключается в обеспечении значительной оптимизации краткосрочных и долгосрочных рабочих характеристик, существенном снижении себестоимости и усложненности. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 11 ил.
смещение шкива натяжного устройства ремня на участке слабой стороны запуска на первом уровне смещения, когда шкив натяжного устройства перемещается в направлении натяжения ремня, и
смещение шкива натяжного устройства ремня на участке слабой стороны запуска на втором уровне смещения, когда шкив натяжного устройства перемещается в направлении ослабления ремня.
| СИСТЕМА РЕМЕННОГО ПРИВОДА ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ И МОТОР/ГЕНЕРАТОРА | 2001 |
|
RU2265763C2 |
| US 4557709 А, 10.12.1985 | |||
| JP 11190223 А, 13.07.1999 | |||
| US 5752891 А, 19.05.1998. | |||
