СИСТЕМА МАСС ПРОТИВОПОЛОЖНОГО ВРАЩЕНИЯ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ С РЯДНЫМ ЧЕТЫРЕХЦИЛИНДРОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ДЛЯ УРАВНОВЕШИВАНИЯ ВИБРАЦИЙ, ОБРАЗУЕМЫХ ДВИГАТЕЛЕМ, И РЯДНЫЙ ЧЕТЫРЕХЦИЛИНДРОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКУЮ СИСТЕМУ Российский патент 2015 года по МПК F16F15/26 

Область техники

Настоящее изобретение относится к системе масс противоположного вращения, предназначенной для использования с рядным четырехцилиндровым двигателем внутреннего сгорания для уравновешивания вибраций, образуемых двигателем, и к рядному четырехцилиндровому двигателю, содержащему такую систему.

Уровень техники

Использование системы масс противоположного вращения с двигателем для уравновешивания вибраций и инерций, образуемых приводным валом, для того чтобы устранить или, по меньшей мере, в значительной степени уменьшить их, известно в данной области техники. Упомянутая система обычно прикреплена к картеру или поддону картера под двигателем, так или иначе в точке, где требуется уравновешивание и где возможно взять под контроль вращение масс от приводного вала. Уравновешивание вибраций, образуемых рядным четырехцилиндровым двигателем, имеет, однако, различные проблемы по сравнению с другими конфигурациями центрирования цилиндров.

Например, в рядном трехцилиндровом двигателе, описанном ниже, чье поведение аналогично рядному пятицилиндровому двигателю, причем оба имеют нечетное число цилиндров.

В рядном трехцилиндровом двигателе воспламенение происходит каждые 240° вращения ведущего вала (720°/3=240°). Ведущий вал схематично показан на фиг.1 с порядком воспламенения: 3.1-3.3-3.2.

На первый взгляд может показаться, что во время его вращения центр тяжести трех поршней и их соответствующих шатунов всегда находится в центре двигателя, таким образом, они не создают каких-либо вибраций. Анализ также может привести к убеждению, что отсутствуют паразитные силы, создаваемые как вертикально, так и продольно. Это, однако, не верно, поскольку это предполагает допущение, что двигатель является одной точкой, и силы действуют в одной плоскости. На самом деле силы имеют различные расположения вдоль самого вала и вместо взаимного уравновешивания они создают равнодействующие, которые заставляют ведущий вал вибрировать на двух концах, создавая свободные моменты первого порядка типа «качки».

Фиг.1 ясно иллюстрирует, что когда поршень 3.1 находится в его верхней мертвой точке и изменяет свое перемещение на направленное вниз, он создает направленную вверх силу на переднем конце двигателя; поршень 3.2 перемещается вниз, и он создает направленную вверх силу, расположенную в центре двигателя; наоборот поршень 3.3, который перемещается вверх, создает направленную вниз силу, расположенную в заднем конце двигателя.

Поскольку осевой центр тяжести двигателя расположен выше среднего цилиндра 3.2, продольный «правовращающий» момент создается на ведущем валу вследствие того, что цилиндр 3.1 толкает вверх, и цилиндр 3.3 толкает вниз. После поворота на 180° ситуация полностью меняется на противоположную и момент, создаваемый поршнями 3.1, 3.3, меняет направление на обратное и становится «левовращающим».

Решение, обычно обеспечиваемое для уравновешивания таких моментов на рядном трехцилиндровом двигателе, состоит в использовании уравновешивающего вала, приводимого в движение ведущим валом с двумя эксцентриковыми массами на двух концах вала. Две массы перемещаются в направлении, противоположном направлению поршня. Таким образом «качающий» момент уравновешивается равным и противоположным моментом.

В рядном пятицилиндровом двигателе возникает аналогичное явление, как и в рядном трехцилиндровом двигателе.

Рядный пятицилиндровый двигатель; воспламенение возникает каждые 720°/5=144° вращения ведущего вала. Как показано на фиг.2, порядок воспламенения 5.1-5.3-5.5-5.4-5.2.

Равнодействующие знакопеременные усилия первого порядка уравновешиваются.

Равнодействующие знакопеременные усилия второго порядка также уравновешиваются.

Наоборот рядный пятицилиндровый двигатель создает «качающие» продольные моменты, аналогичные продольным моментам рядного трехцилиндрового двигателя. Это имеет место, поскольку поршень 5.1 находится не в том же положении, что поршень 5.5, и поршень 5.2 находится не в том же положении, что поршень 5.4.

Поэтому два конца двигателя вибрируют относительно центра двигателя.

Решение, которое обычно обеспечивается для уравновешивания таких моментов на рядном пятицилиндровом двигателе, состоит в использовании, как в случае рядного трехцилиндрового двигателя, уравновешивающего вала, который вращается в направлении, противоположном ведущему валу, имеет ту же длину, что и двигатель, и два противовеса, перемещающихся в направлении, противоположном направлению поршней. Вал приводится в движение двигателем с той же скоростью, что и ведущий вал.

Или, как описано в EP-462411, пары масс противоположного вращения могут быть использованы на двух концах ведущего вала. Однако решения, обеспеченные в вышеупомянутых случаях, не могут быть применены в случае рядного четырехцилиндрового двигателя, в котором создаваемые колебания совершенно другого типа.

Фиг.3.1 показывает схему рядного четырехцилиндрового двигателя, чей порядок воспламенения: цилиндр 1 (4.1) - цилиндр 3 (4.3) - цилиндр 4 (4.4) - цилиндр 2 (4.2). Воспламенение возникает каждый 720°/4=180° поворота ведущего вала, таким образом пары поршней 4.1-4.4 и 4.2-4.3 располагаются точно в одинаковых положениях и всегда перемещаются согласно одному направлению. Для того чтобы исключить качающий эффект, цилиндры расположены, как показано на чертеже, таким образом, поршень 4.1 предпочтительно уравновешен 4.4, и поршень 4.2 уравновешен 4.3.

Таким образом, можно сказать, что в рядном четырехцилиндровом двигателе нет необходимости уравновешивать свободные моменты первого порядка вследствие противоположно направленных возвратно-поступательных перемещений четырех цилиндров. Что касается вертикальных усилий, можно видеть, что поршень 4.1 уравновешен поршнем 4.2, и поршень 4.3 - поршнем 4.4. Это, однако, верно только для знакопеременных усилий первого порядка. Знакопеременные усилия второго порядка намного меньше знакопеременных усилий первого порядка и вращаются с удвоенной частотой знакопеременных усилий первого порядка, и точка их приложения совпадает с центром двигателя. Если упомянутые усилия возрастают так, что вызывают явление резонанса, они могут даже сломать ведущий вал.

Явление может быть объяснено со ссылкой на фиг.3.2.

В рядном четырехцилиндровом двигателе как прямолинейное перемещение поршней, так и угловое перемещение шатунов таковы, что поршень, который перемещается в верхней части цилиндра (к верхней мертвой точке), имеет смещение (b) вдоль оси цилиндра больше, чем смещение (a) поршня, перемещающегося в нижней части (к нижней мертвой точке), причем угловое смещение одинаковое.

Различие смещения таково, что поршень, перемещающийся в верхней части, создает усилие вдоль оси цилиндра больше, чем усилие, имеющее противоположное направление, создаваемое поршнем, перемещающимся в нижней части. Равнодействующее усилие, как упомянуто выше, является усилием второго порядка, которое вращается с удвоенной скоростью ведущего вала.

Чем длиннее ход и тяжелее поршень и шатун, тем важнее уравновесить знакопеременные усилия второго порядка.

Это имеет место, в частности, в двигателях, которые являются частью несущей конструкции транспортного средства, как, например, в тракторе или экскаваторах. Фактически в таких случаях двигатель создает сильные колебания, который необходимо уравновешивать. Решения, подходящие для амортизации колебаний, вызываемых знакопеременными усилиями второго порядка в рядном четырехцилиндровом двигателе, использующие эксцентриковые массы так, чтобы их центр тяжести был как можно ближе к центру двигателя, известны в данной области техники.

В примере известного решения (фиг.4) используются два вала противоположного вращения, приводимые в движение ведущим валом и вращающиеся с его удвоенной скоростью, типа «распределенного» по всей длине двигателя. Такое решение имеет проблемы, вытекающие из его веса и его габаритов. В другом примере известного решения используется система типа, показанного на фиг.5.1 и 5.2.

Система снабжена поддоном, имеющим закрытый жесткий корпус 1, например выполненный из литейного чугуна, который содержит два вала 2, 3, шарнирно соединенных с двумя концами поддона, поддерживающими их. Две эксцентриковые массы 4, 5, зацепляющиеся друг с другом их соответствующими зубчатыми колесами 6, 7 и таким образом задающие противоположное вращение, установлены на валы посредством соответствующих подшипников или втулок. В общем, перемещение приводного вала передается одному из двух зубчатых колес, например, посредством шестерен. Более того, внутренняя система каналов обычно присутствует для того, чтобы подавать масло для смазывания двух масс противоположного вращения, которые вращаются с большой скоростью, обычно вдвое превышающей число оборотов в минуту двигателя. Вся система прикреплена к двигателю винтами. Также система этого типа, известная в данной области техники, имеет проблемы, вытекающие из ее веса и габаритов. Например, поддон является жестким корпусом, выполненным из литейного чугуна, и, таким образом, очень тяжелым и массивным. Предварительная сборка такой системы занимает длительное время и, следовательно, имеет высокую производственную себестоимость.

Сущность изобретения

Следовательно, задачей настоящего изобретения является устранение всех вышеупомянутых недостатков и обеспечение системы масс противоположного вращения, выполненной с возможностью использования с рядным четырехцилиндровым двигателем внутреннего сгорания для уравновешивания знакопеременных усилий второго порядка, создаваемых на ведущем валу упомянутого двигателя, имеющей сниженные вес, габариты, себестоимость.

Идея в основе настоящего изобретения заключается в выполнении системы эксцентриковых масс противоположного вращения выступающей с противоположных сторон центральной опоры. Система предпочтительно используется в середине, под ведущим валом.

Эта система значительно проще систем, известных в данной области техники, поскольку эксцентриковые массы выступают с двух сторон центральной опоры, что очень просто и компактно.

Настоящее изобретение относится, в частности, к системе масс противоположного вращения, выполненной с возможностью использования с рядным четырехцилиндровым двигателем внутреннего сгорания для уравновешивания колебаний, создаваемых упомянутым двигателем, и рядному четырехцилиндровому двигателю, содержащему упомянутую систему, как описано более подробно в пунктах формулы изобретения, которые являются составной частью настоящего описания.

Краткое описание чертежей

Дополнительные цели и преимущества настоящего изобретения станут понятны из следующего подробного описания предпочтительного варианта выполнения (и его альтернативных вариантов выполнения) и чертежей, которые сопровождают его, которые являются исключительно иллюстративными и неограничивающими, на которых:

фиг.1 и 2 - схема соответственно рядного трехцилиндрового и рядного пятицилиндрового двигателей;

фиг.3.1 - схема рядного четырехцилиндрового двигателя;

фиг.3.2 - схема перемещения поршня в рядном четырехцилиндровом двигателе;

фиг.4 - схема системы уравновешивания типа, известного в данной области техники, описанной выше, которая может быть использована с рядным четырехцилиндровым двигателем;

фиг.5.1 и 5.2 - дополнительная система уравновешивания типа, известного в данной области техники, как описано выше, которая может быть использована с рядным четырехцилиндровым двигателем согласно собранному и разобранному виду соответственно;

фиг.6 и 7 - первый вариант выполнения системы масс противоположного вращения согласно настоящему изобретению, которая может быть использована с рядным четырехцилиндровым двигателем согласно собранному и разобранному виду соответственно;

фиг.8, 9 и 10 - дополнительные виды системы с фиг.6 и 7, согласно продольному сечению в плоскости масс, согласно сечению в соответствии с серединой опоры и согласно виду сверху соответственно;

фиг.11 и 12 - второй вариант выполнения системы масс противоположного вращения согласно настоящему изобретению, которая может быть использована с рядным четырехцилиндровым двигателем, причем шарикоподшипники заменены скользящими втулками согласно разобранному виду и виду в сечении соответственно; и

фиг.13 - пример расположения системы, которая является задачей изобретения, на рядном четырехцилиндровом двигателе.

На чертежах одинаковые ссылочные позиции и буквы обозначают одинаковые элементы или компоненты.

Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения

Как упомянуто выше, идея в основе настоящего изобретения заключается в выполнении центральной опоры, имеющей малый вес и небольшие габариты, причем эксцентриковые массы противоположного вращения выступают с двух сторон опоры.

На фиг.6-13 показана центральная опора 21, подходящая для поддерживания двух пар эксцентриковых масс 22, 23 и 24, 25 противоположного вращения, находящихся с двух противоположных сторон опоры.

Эксцентриковые массы 22 и 23 с одной стороны опоры удерживаются соответствующими втулками 26, 27, на которых закреплено приводное средство вращения масс. В этом примере это средство содержит зубчатые колеса 28 и 29, подходящие для зацепления друг с другом, для того чтобы задать противоположное вращение масс.

Эксцентриковые массы 24 и 25 с другой стороны опоры удерживаются соответствующими валами 30, 31.

Опора 21 снабжена двумя сквозными поперечными отверстиями 32 и 33, которые обеспечивают прохождение валов 30 и 31, причем такие валы соосно прикреплены к втулкам 26, 27 соответствующих масс с противоположной стороны, например, посредством зажимных винтов 34, 35.

Для того чтобы обеспечить нужное вращение и исключить трение, соответствующий мертвый ход обеспечен между боковыми сторонами опоры и сторонами втулок и валов, которые обращены к ним. Более того, соответствующие выступы 30', 31' присутствуют на краях валов.

Для того чтобы обеспечить нужную фазу вращения, центрирующие штифты 38, 39 предпочтительно присутствуют и вставлены в соответствующие глухие отверстия на концевых сторонах валов 30, 31 и в соответствующие точки контакта втулок 26, 27.

Втулки 36, 37 предпочтительно присутствуют и вставлены в отверстия 32, 33, для того чтобы облегчить вращение валов 30, 31 и минимизировать трение.

Опора, содержащая элементы, описанные выше, прикреплена к двигателю винтами 40, и соответствующая шестерня приводного вала (не показана на чертеже), соединенная с одним из зубчатых колес, приводит массы во вращение.

Нижний защитный поддон 41 прикреплен к опоре 21, например, посредством винтов 42.

На фиг.9 показана система 43 каналов, внутренняя по отношению к опоре 21, которая может присутствовать для того, чтобы подавать смазочное масло к втулкам 36, 37, которые предпочтительно снабжены желобом, размещенным в соответствии с системой каналов, чтобы облегчить введение масла. Заглушка 44 может быть вставлена снаружи, чтобы закрыть внешний доступ к системе каналов. Отверстие 45 также может присутствовать на верхней стороне опоры 21, чтобы соединить систему 43 каналов для масла с соответствующей подачей масла в картер двигателя, сопряженной с блоком масс.

В возможном альтернативном варианте выполнения, показанном на фиг.11 и 12, шарикоподшипники 71, 72 могут присутствовать вместо втулок. В этом случае смазка может быть не нужна, и, следовательно, возможно исключить внутреннюю систему каналов опоры.

Более того, чтобы обеспечить передачу более высокого крутящего момента при необходимости и обеспечить нужную фазу вращения масс, выступающие части 73, 74 могут присутствовать, например, на концевой стороне валов 30, 31, вставленные в соответствующие углубления 75, 76 во втулках, поддерживающих массы. Конечно, противоположное расположение выступающих частей и углублений также возможно.

Фиг.13 показывает пример расположения системы, которая является задачей изобретения, на рядном четырехцилиндровом двигателе. Система, в общем обозначенная ссылочной позицией 131, помещена в центре под ведущим валом 132. Опора 21 прикреплена винтами 40 к жесткой стенке двигателя (не показана на чертеже) под центральным рядом 133 опоры. Специально обеспеченная шестерня 135 присутствует на ведущем валу и создает вращение зубчатого колеса 28 системы, так чтобы массы вращались с удвоенной частотой ведущего вала.

Позиция 134 обозначает сечение масляного поддона, который содержит также систему 131. Нижний защитный поддон 41 может отсутствовать, как в этом случае.

Центральное положение системы предпочтительно, поскольку оно упрощает конструкцию, изготовление и установку системы, поскольку эксцентриковые массы могут иметь одинаковую величину с двух противоположных сторон опоры. Система также может быть установлена в децентрализованном положении, ближе к стороне ведущего вала. В этом случае необходимо пересчитать уравновешивание вращающихся масс, пропорционально величине бокового смещения.

По сравнению с системами, известными в данной области техники, тяжелый и громоздкий поддон, имеющий жесткий корпус, больше не нужен для поддержки масс, и взамен присутствует только центральная опора 21, которая может быть выполнена из более легких материалов, например алюминия, которая прикреплена к картеру.

Возможно, присутствующий нижний поддон 41 не выполняет какой-либо несущей функции, а выполняет только защитную функцию, и, следовательно, он также может быть выполнен из более легкого материала, такого как металлический лист или пластик. Более того, нет необходимости в герметичном уплотнении поддона, в то время как в системе, известной в данной области техники, поддон с жестким корпусом герметично уплотнен.

Приведение во вращение масс посредством шестерен и зубчатых колес может быть замено другим приводом, например, посредством ремней и шкивов или цепи.

Массы противоположного вращения с одной стороны опоры синфазны с массами противоположного вращения с другой стороны, и они необязательно имеют одинаковую форму, а могут быть различны.

Массы должны быть выполнены из материала, который выдерживает большое число оборотов в минуту, например высокопрочного литого чугуна или штампованной стали.

Специалисту в данной области техники будет понятно, что другие альтернативные и эквивалентные варианты выполнения изобретения могут быть предложены и осуществлены без отступления от объема изобретения.

Преимущества, вытекающие из использования этого изобретения, очевидны по сравнению с решениями, известными в данной области техники.

Новое решение - компактное и простое, с монолитной опорой и простой обработкой, заменяющей сложный корпус; таким образом, общий вес существенно снижен вплоть до 50%, и продольный размер также уменьшен вплоть до 20%.

Сборка упрощена со значительным снижением себестоимости. Массы установлены снаружи опоры посредством простых процедур и уменьшенного числа операций; напротив, в системах, известных в данной области техники, массы, валы и втулки необходимо устанавливать изнутри поддона, используя сложные и длительные сборочные процедуры.

Поскольку система настолько компактна, можно легко встроить дополнительные функции в систему, такие как масляный насос, всасывающую сетку, систему каналов для доставки масла к картеру.

Возможно больше возможностей по стандартизации.

Из описания, изложенного выше, специалисту в данной области техники будет возможно осуществить изобретение без необходимости описания дополнительных особенностей конструкции.

Система (131) масс противоположного вращения предназначена для использования с рядным четырехцилиндровым двигателем внутреннего сгорания, содержащим масляный поддон (134) и имеющим последовательность работы цилиндров 1-3-4-2 (4.1, 4.3, 4.4, 4.2), для уравновешивания знакопеременных усилий второго порядка, образуемых на ведущем валу двигателя. Система размещена в масляном поддоне и содержит центральную опору (21) и две пары эксцентриковых масс (22, 23, 24, 25) противоположного вращения, выступающие с двух противоположных сторон опоры, и два зубчатых колеса (28, 29), каждое из которых размещено соосно с соответствующей парой эксцентриковых масс противоположного вращения. Каждое зубчатое колесо размещено между двумя соответствующими эксцентриковыми массами и остается с одной стороны центральной опоры. Зубчатые колеса зацепляются друг с другом. Одно из зубчатых колес выполнено с возможностью приведения во вращение соответствующей шестерни приводного вала. Уменьшаются габариты системы. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Система (131) масс противоположного вращения, выполненная с возможностью использования с рядным четырехцилиндровым двигателем внутреннего сгорания, содержащим масляный поддон (134) и имеющим последовательность работы цилиндров 1-3-4-2 (4.1, 4.3, 4.4, 4.2), для уравновешивания знакопеременных усилий второго порядка, образуемых на ведущем валу двигателя, причем система размещена в масляном поддоне и содержит:
центральную опору (21) и две пары эксцентриковых масс (22, 23, 24, 25) противоположного вращения, выступающие с двух противоположных сторон опоры; и
два зубчатых колеса (28, 29), каждое из которых размещено соосно с соответствующей парой эксцентриковых масс противоположного вращения, причем каждое зубчатое колесо размещено между двумя соответствующими эксцентриковыми массами и остается с одной стороны центральной опоры, при этом зубчатые колеса зацепляются друг с другом и одно из зубчатых колес выполнено с возможностью приведения во вращение соответствующей шестерней приводного вала.

2. Система по п. 1, расположенная по центру под ведущим валом (132), внутри масляного поддона (134) двигателя, и которая приводится во вращение валом с удвоенной частотой его вращения.

3. Система по п. 2, в которой массы противоположного вращения имеют одинаковые величины с двух противоположных сторон опоры.

4. Система по п. 1, в которой:
эксцентриковые массы (22, 23) с одной стороны опоры удерживаются соответствующими втулками (26, 27), на которых закреплены приводные средства вращения масс, подходящие для зацепления друг с другом, для того чтобы задать противоположное вращение масс;
эксцентриковые массы (24, 25) с другой стороны опоры удерживаются их соответствующими валами (30, 31);
опора (21) снабжена сквозными поперечными отверстиями (32, 33), которые обеспечивают прохождение валов (30, 31), соосно прикрепленных к втулкам (26, 27) соответствующих масс с противоположной стороны.

5. Система по п. 4, в которой для обеспечения правильной фазы вращения масс центрирующие штифты (38, 39) присутствуют и вставлены в соответствующие глухие отверстия на концевых сторонах валов (30, 31) и соответствующие точки контакта втулок (26, 27).

6. Система по п. 4, в которой для обеспечения правильной фазы вращения масс выступающие части (73, 74) присутствуют на концевых сторонах валов (30, 31) или втулок (26, 27) и вставлены в соответствующие углубления (75, 7 6) во втулках или в валах.

7. Система по п. 1, дополнительно содержащая нижний защитный поддон (41), прикрепленный к опоре (21).

8. Система по п. 4, дополнительно содержащая втулки (36, 37) или шарикоподшипники (71, 72), вставленные в отверстия (32, 33) опоры для облегчения вращения валов (30, 31).

9. Система по п. 8, дополнительно содержащая систему (43) каналов, внутреннюю по отношению к опоре (21), для подачи смазочного масла к втулкам (36, 37) или шарикоподшипникам (71, 72).

10. Рядный четырехцилиндровый двигатель внутреннего сгорания, имеющий последовательность работы цилиндров 1-3-4-2 (4.1, 4.3, 4.4, 4.2), содержащий систему масс противоположного вращения для уравновешивания знакопеременных усилий второго порядка, образуемых на ведущем валу двигателя, по любому из предшествующих пунктов.