Силовой агрегат Российский патент 2024 года по МПК F16F15/26 F02B75/06 B60K5/00 

Область техники

Изобретение относится к машиностроению, а именно, к силовым агрегатам, содержащим поршневые одноцилиндровые двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Силовой агрегат содержит подрессоренную часть с одноцилиндровым двигателем внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом и устройство уравновешивания в виде установленных на коленчатом валу нащечных противовесов.

Силовой агрегат включает в себя помимо поршневого одноцилиндрового ДВС различные системы (механизмов), такие как: выхлопная система, система маслоснабжения, система охлаждения двигателя, система впрыска и другие элементы конструкции. Наиболее актуальной проблемой в конструкции поршневых одноцилиндровых ДВС является их высокая виброактивность - они обладают наихудшей уравновешенностью среди других типов ДВС. В настоящее время практически единственным способом уравновешивания является применение нащечных противовесов коленчатого вала.

С целью снижения вибрации поршневого одноцилиндрового ДВС силовой агрегат подрессоривают. Для предохранения механизмов силового агрегата от вредного действия ударов при транспортировке грузов с большими скоростями (50-70 км/ч) применяют упругое соединение лафета с колесным ходом, которое называют подрессориванием, или подвеской. (§ 15.2. Ход и подрессоривание, https://studfile.net/preview/5082433/page:63/). Подрессоривание - это создание упругой связи между опорными катками (колесами) и корпусом (рамой) боевой и транспортной машины в целях снижения динамических нагрузок на корпус при движении по неровностям местности (дороги) и для гашения возникающих при этом колебаний машины («Словарь военных терминов», Москва, Воениздат. 1988, https://military_terms.academic.ru/1765/Подрессоривание).

Существенным условием уравновешенности поршневого одноцилиндрового ДВС в силовом агрегате является определение оптимального положения центра масс подрессоренной части поршневого одноцилиндрового ДВС относительно действующих сил.

Подрессоренная часть силового агрегата может включать в себя помимо двигателя системы, указанные выше.

Уровень техники.

Полное уравновешивание от сил инерции в поршневых одноцилиндровых ДВС возможно при использовании метода Ланчестера, механизма, включающего четыре балансирных вала, с установленными на них противовесами- вращающихся попарно в противоположных направлениях: два из которых вращаются с угловой скоростью коленчатого вала, а два других с удвоенной угловой частотой коленчатого вала. («Двигатели внутреннего сгорания», Луканин В.Н. и Шатров М.Г., Динамика и конструирование, кн.2, Москва, Высшая школа, 2007, с. 43-44).

Момент от центробежных сил может быть уравновешен с помощью противовесов на продолжении щек кривошипов, а моменты от сил инерции поступательно движущихся масс - методом Ланчестера. (Тема №16, «Уравновешивание двигателей», сайт studfile.net).

Уравновешивание одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания по механизму Ланчестера осуществляется посредством специального механизма.

Подобное уравновешивание сил инерции первого и второго порядка значительно усложняет конструкцию двигателя и применяется в редких случаях. Как правило, одноцилиндровые двигатели используются ограниченно, и силы инерции в них уравновешивают посредством противовесов на щеках коленчатого вала.

Вследствие громоздкости и конструктивной сложности механизм Ланчестера практически не используется в транспортных двигателях и применяется лишь в специальных стационарных установках, предназначенных для проведения исследовательских работ.

Из существующего уровня техники известны разнообразные конструктивные способы создания устройств, предназначенных для уравновешивания поршневых одноцилиндровые ДВС, в том числе, входящих в состав силового агрегата.

В патенте на изобретение RU 2671666 С1 «Балансировочное устройство для двигателя внутреннего сгорания» (МПК F02B 67/04, дата публикации 06.11.2018 г.) описывается конструкция одноцилиндрового ДВС, в котором уравновешивание сил инерции возвратно поступательно движущихся масс (ВПДМ) 1-го порядка осуществляют с помощью эксцентриковых грузов, установленных на коленчатом и балансировочном валах.

Основным недостатком рассматриваемого технического решения является сложность конструкции, и как следствие невозможность практического применения.

В настоящее время уравновешивание большинства поршневых одноцилиндровых ДВС достигают за счет центробежных сил противовесов, располагаемых на щеках коленчатого вала без установки дополнительных механизмов и деталей.

В частности, из уровня техники известны поршневые одноцилиндровые ДВС Урал и Tecumseh, уравновешивание которых обеспечивается за счет сил инерции нащечных противовесов коленчатого вала.

Двигатель Урал четырехтактный, бензиновый, воздушного

охлаждения, рабочим объемом 475 см³ мощностью 4,5 л.с. (Двигатель для мотоблока Урал УМЗ-5А, УМЗ-6А, УМЗ-5Б. 2015. URL: https://pahalka.ru/dvigateli/63-umz-5a-umz-6a-umz-5b).

Двигатель Tecumseh четырехтактный, бензиновый, воздушного охлаждения, рабочим объемом 190 см3 мощностью 5,5 л.с. (Двигатель Tecumseh четырехтактный, бензиновый. 2013. URL: https://www.sadovodu.ru/catalog/price112/details/dvigatel_tecumseh_van37e-36532b_benzinovyj_4h_taktnyj_/).

Известно устройство уравновешивания одноцилиндрового ДВС, описанное в статье «Возможности уравновешивания одноцилиндрового двухтактного двигателя», Апелинский Д.В, Гусаров В.В., Фомин В.М., журнал «Известия МГТУ МАМИ», №2 (40), 2019 г., с. 2-7. В известном устройстве уравновешивание поршневого одноцилиндрового двухтактного ДВС осуществляется посредством нащечных противовесов, установленных на коленчатом валу так, чтобы положение каждого нащечного противовеса соответствовало углу поворота кривошипа коленчатого вала.

Из статьи Апелинского Д.В., Гусарова В.В, Фомина В.М. «Возможности уравновешивания одноцилиндрового двухтактного двигателя», «Известия МГТУ «МАМИ», Транспортные машины, Транспортно-технологические средства и энергетические установки, №2 (40), 2019, с. 2-6 известно, что положение центров масс противовесов и их величина определяется из условия полного уравновешивания центробежных сил от вращающихся масс (ВМ) и частично сил инерции ВПДМ кривошипно - шатунного механизма (КШМ) 1 -го порядка.

Максимально возможное частичное уравновешивание сил инерции ВПДМ 1-го порядка и полное уравновешивание центробежных сил КШМ обеспечивается при величине дисбаланса противовесов D_пp, определяемых по формуле:

где

- масса неуравновешенных элементов КШМ, совершающих вращательное движение, приведенная к оси шатунной шейки;

- масса элементов КШМ, совершающих возвратно-поступательное движение;

- радиус кривошипа.

Именно такие значения дисбалансов нащечных противовесов имеют современные поршневые одноцилиндровые ДВС.

Наиболее близким аналогом предложенного изобретения является силовой агрегат на базе одноцилиндрового поршневого ДВС, описанный в статье Гусарова В.В., Жарикова В.В., Оськина А.И. «Исследование уравновешенности одноцилиндровых двигателей», журнал «Известия МГИУ». Естественные и технические науки. №2(26), 2012 г., с. 40-43. Известный силовой агрегат содержит подрессоренную часть с одноцилиндровым двигателем внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом и устройство уравновешивания в виде установленных на коленчатом валу нащечных противовесов.

Основным преимуществом устройства уравновешивания описанного силового агрегата является простота конструктивного выполнения такого устройства.

Недостатком устройства является высокая вибрация всего силового агрегата из-за ограничения уравновешенности только двигателем.

Задачей заявленного технического решения является снижение вибрации силового агрегата с минимальным применением каких-либо дополнительных устройств и деталей.

Технический результат, получаемый при реализации заявленного изобретения, заключается в снижении вибрации силового агрегата в объеме подрессоренной части, а не только поршневого одноцилиндрового ДВС, что в результате позволяет обеспечить полное уравновешивание центробежных сил от вращающихся масс (ВМ), частично сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс (ВПДМ) кривошипно-шатунного механизма (КШМ) 1-го порядка, а также частично реактивного крутящего момента (РКМ). Раскрытие сущности изобретения.

Заявленный технический результат достигается тем, что силовой агрегат содержит подрессоренную часть с одноцилиндровым двигателем внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом и устройство уравновешивания в виде установленных на коленчатом валу нащечных противовесов, по предложению положение каждого нащечного противовеса соответствует углу поворота кривошипа коленчатого вала, центр масс подрессоренной части силового агрегата расположен в плоскости, проходящей через ось цилиндра двигателя перпендикулярно оси коленчатого вала, а расстояние от точки пересечения оси цилиндра двигателя и оси коленчатого вала до центра масс подрессоренной части силового агрегата определяют по формуле:

С= M_jΣ / [m_ВПДМ⋅r⋅ω²⋅0,5⋅sin(α+ϕ)+λ⋅sinα⋅cos2ϕ)], где

- опрокидывающий момент от действия инерционных сил;

- масса элементов кривошипно-шатунного механизма, совершающих возвратно-поступательное движение;

- частота вращения коленчатого вала;

- радиус кривошипа;

- угол, характеризующий положение центра масс подрессоренной части силового агрегата;

- угол поворота кривошипа коленчатого вала;

- безразмерный кинематический параметр двигателя внутреннего сгорания.

При этом силовой агрегат может содержать, по меньшей мере, два нащечных противовеса.

Краткое описание чертежей.

Предложенное изобретение поясняется следующими фигурами.

На фиг.1 представлена схема действия сил и моментов в устройстве уравновешивания подрессоренной части силового агрегата.

На фиг.2 представлена схема уравновешивания подрессоренной части силового агрегата с помощью развесовки и нащечных противовесов.

На фиг.3 представлена схема графики моментов, определяющих уравновешенность поршневого одноцилиндрового ДВС при n = 3000 об/мин, pi = 0,7 МПа и наилучшем положении ЦМ СА. - кривая реактивного крутящего момента двигателя; - кривая опрокидывающего момента от действия инерционных сил; - результирующая кривая опрокидывающего момента, действующая на опорах силового агрегата.

Осуществление изобретения.

В предлагаемом техническом решении уравновешивание поршневых одноцилиндровых двигателей внутреннего сгорания обеспечивается как за счет центробежной силы от нащечных противовесов коленчатого вала, так и за счет моментов от нее, и сил инерции ВПДМ. Нащечные противовесы располагаются на противоположной стороне относительно коленчатого вала. При этом учитывается, что для типичных параметров упругого подвеса одноцилиндровых двигателей силовой агрегат можно рассматривать как тело свободное от связей, где неуравновешенные силы инерции вызывают моменты относительно центра масс (ЦМ) силового агрегата, включающего поршневой одноцилиндровый ДВС и его навесные агрегаты. Оптимальное положение ЦМ, обеспечивающее максимально возможное уравновешивание РКМ, зависит от весогабаритных параметров поршневого одноцилиндрового ДВС, режима работы и определяется методами математического моделирования.

В соответствии с изобретением для обеспечения уравновешивания РКМ центр масс подрессоренной части силового агрегата должен быть расположен в плоскости, проходящей через ось цилиндра одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания силового агрегата, перпендикулярно оси коленчатого вала.

На представленных схемах действия сил и моментов в устройстве уравновешивания одноцилиндрового двигателя (Фиг. 1) и уравновешивания одноцилиндрового двигателя с помощью развесовки и нащечных противовесов (Фиг. 2):

1 - центр масс подрессоренной части силового агрегата,

2 - масса нащечных противовесов коленчатого вала,

3 - ось цилиндра поршневого одноцилиндрового двухтактного двигателя внутреннего сгорания,

4 - ось коленчатого вала,

5 - ось шатунной шейки

6 - шатун,

7 - кривошип,

8 - расстояние а (мм),

9 - расстояние b (мм),

10 - α - угол, характеризующий положение ЦМ подрессоренной части силового агрегата,

11- ϕ - угол поворота кривошипа коленчатого вала. Общая величина опрокидывающего момента, действующая на опорах силового агрегата складывается из реактивного крутящего момента двигателя и опрокидывающего момента от действия инерционных сил за период: результирующей силы инерции ВПДМ от массы и результирующей центробежной силы от масс противовесов и ВМ КШМ приведенных к оси шатунной шейки

Для эффективного использования нащечных противовесов необходимо корректно определить дисбаланс нащечных противовесов.

Для обеспечения частичного оптимального уравновешивания сил инерции ВПДМ 1 -го порядка и полного уравновешивания центробежных сил КШМ дисбаланс нащечных противовесов определяется из условия:

где - радиус кривошипа,

- радиус центра масс противовеса,

- масса неуравновешенных элементов КШМ, совершающих вращательное движение, приведенная к оси шатунной шейки;

- масса элементов КШМ, совершающих возвратно-поступательное движение.

Тогда величина результирующей центробежной силы:

где ω - угловая скорость вращения коленчатого вала. Величина силы инерции ВПДМ:

- угол поворота кривошипа коленчатого вала,

- безразмерный кинематический параметр двигателя внутреннего сгорания.

Для обеспечения частичного максимально возможного уравновешивания реактивного крутящего момента необходимо обеспечить определенное положение ЦМ двигателя.

Координаты оптимального положения определяются расчетным методом. Если положение ЦМ определить расстоянием С от точки пересечения оси цилиндра двигателя и оси коленчатого вала до центра масс подрессоренной части силового агрегата, под углом а к вертикали (фиг.1), а за начало системы координат принять центр КШМ (точку О), то после некоторых преобразований выражение для опрокидывающего момента от действия инерционных сил будет иметь вид:

Значения реактивного крутящего момента за период находят по результатам экспериментальных исследований, либо в виде аналитических зависимостей. Общую количественную оценку неуравновешенности от действия результирующего опрокидывающего момента выполняют по величине импульса этого момента относительно среднего значения за период (360° для 2х тактных и 720° для 4х тактных поршневых одноцилиндровых ДВС).

Положение ЦМ подрессоренной части силового агрегата можно представить данными горизонтального «b» и вертикального «а» смещений в прямоугольной системе координат с центром в точке «О» (фиг.1).

Было определено, что максимально возможное уравновешивание достигается при смещении центра масс подрессоренной части силового агрегата относительно оси цилиндра двигателя на расстояния «а» по вертикали и «b» по горизонтали, рассчитанное по формулам:

а = С ⋅⋅ sina,

b = С ⋅ cos α, где

С - расстояние от точки пересечения оси цилиндра двигателя и оси коленчатого вала до ЦМ подрессоренной части силового агрегата:

С= M_jΣ / [m_ВПДМ⋅r⋅ω²⋅(0,5⋅sin(α+ ϕ)+λ⋅sinα⋅cos2ϕ)], где

- опрокидывающий момент от действия инерционных сил за период,

На фиг.2 показаны нащечные противовесы m_пр и их расположение относительно ЦМ, а также параметры «а» и «b» положения центра масс подрессоренной части силового агрегата.

На фиг.2 обозначено положение всех вращающихся масс кривошипно-шатунного механизма, приведенных к оси шатунной шейки m_вм и возвратно-поступательно движущиеся массы гпвпдм, которыми обусловлено действие результрующей силы инерции от ВПДМ.

Задача оптимизации решается численным методом нахождения экстремума (минимума) в программе Microsoft Excel с использованием команды «Поиск решений» панели инструментов программы. Исходными данными являются вышеуказанные значения массы ВПДМ, радиус кривошипа r, частоты вращения и значений крутящего момента поршневого одноцилиндрового ДВС за период, которые вводят либо в виде дискретных (табличных) данных, например, по результатам экспериментальных исследований, либо в виде аналитических зависимостей. Целевой функцией является импульс результирующего опрокидывающего момента относительно среднего за период, а определяемыми переменными длина С и угол а вектора ЦМ, соответствующие минимуму этого импульса. В результате такого анализа находят оптимальное значение координат положения ЦМ, определяемых размерами вертикального «а» и горизонтального «b» смещений, при которых обеспечивается полное уравновешивание сил инерции ВМ, частичное максимально возможное сил инерции ВПДМ и частичное максимально возможное уравновешивание реактивного крутящего момента.

Найденное оптимальное положение ЦМ реализуют в процессе конструирования поршневого одноцилиндрового ДВС как за счет варьирования размерами и расположениями отдельных элементов блока и головки двигателя, так и выбора расположения и конфигураций агрегатов, входящих в общий состав силовой установки поршневого одноцилиндрового ДВС (системы охлаждения, питания, электрооборудования, газообмена и т.п.). При таком конструировании обеспечивается существенно лучшее уравновешивание.

При работе поршневого одноцилиндрового двигателя наблюдается высокая степень виброактивности, которая обусловлена действием результирующей силы инерции от возвратно-поступательно движущихся масс кривошипно-шатунного механизма двигателя; - центробежной силы всех вращающихся масс кривошипно-шатунного механизма, приведенная к оси шатунной шейки и нащечных противовесов - реактивного крутящего момента от действия крутящего момента. Применение метода подбора оптимального дисбаланса в совокупности с методом оптимизации развесовки двигателя позволяет обеспечить полное уравновешивание центробежных сил от вращающихся масс, частичное уравновешивание сил инерции 1-го порядка от возвратно-поступательно движущихся масс кривошипно-шатунного механизма, а также частичное уравновешивание реактивного крутящего момента.

Пример осуществления.

Определяли смещение центра масс подрессоренной части силового агрегата для четырехтактного одноцилиндрового двигателя со следующими параметрами: степень сжатия -10, ход поршня - 50 мм, диаметр поршня - 50 мм, объем цилиндра - 100 см3, масса поршня - 0, 177 кг, масса шатуна - 0,196 кг, при рабочем режиме 3000 об/мин и среднем индикаторном давлении равном 0,7 МПа. Оптимальные параметры «а» и «Ь» смещения ЦМ подрессоренной части силового агрегата составят 50 мм и 6 мм соответственно.

На фиг.3 представлены графики моментов, определяющих

уравновешенность поршневого одноцилиндрового ДВС при n = 3000 об/мин, p_i = 0,7 МПа и наилучшем положении ЦМ СА. - кривая изменения величины общего опрокидывающего момента, - кривая изменения величины реактивного крутящего момента двигателя, - кривая изменения величины опрокидывающего момента от действия инерционных сил.

Проведенные испытания показали, например, что импульс возмущения от действия РКМ в одноцилиндровом 2-тактном поршневом одноцилиндровом ДВС бензопилы «Урал» при оптимальном расположении ЦМ на некоторых режимах работы уменьшается в 6 раз, сравнительно с вариантом обычного расположения ЦМ вблизи центра КШМ.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к силовым агрегатам. Силовой агрегат содержит подрессоренную часть с одноцилиндровым двигателем внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом и устройство уравновешивания. Последнее выполнено в виде установленных на коленчатом валу нащечных противовесов. Центр масс подрессоренной части силового агрегата расположен в плоскости, проходящей через ось цилиндра двигателя перпендикулярно оси коленчатого вала. Расстояние от точки пересечения оси цилиндра двигателя и оси коленчатого вала до центра масс подрессоренной части силового агрегата определяют по формуле:

где - опрокидывающий момент от действия инерционных сил; - масса элементов кривошипно-шатунного механизма, совершающих возвратно-поступательное движение; ω - частота вращения коленчатого вала; r - радиус кривошипа; α - угол, характеризующий положение центра масс подрессоренной части силового агрегата; ϕ - угол поворота кривошипа коленчатого вала; λ - безразмерный кинематический параметр двигателя внутреннего сгорания. Достигается снижение вибрации силового агрегата. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Силовой агрегат, содержащий подрессоренную часть с одноцилиндровым двигателем внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом и устройство уравновешивания в виде установленных на коленчатом валу нащёчных противовесов, отличающийся тем, что положение каждого нащёчного противовеса соответствует углу поворота кривошипа коленчатого вала, центр масс подрессоренной части силового агрегата расположен в плоскости, проходящей через ось цилиндра двигателя перпендикулярно оси коленчатого вала, а расстояние от точки пересечения оси цилиндра двигателя и оси коленчатого вала до центра масс подрессоренной части силового агрегата определяют по формуле:

С = M_jΣ / [m_ВПДМ⋅r⋅ω²⋅(0,5⋅sin(α+ϕ)+λ⋅sinα⋅cos2ϕ)],

где M_jΣ - опрокидывающий момент от действия инерционных сил;

m_ВПДМ – масса элементов кривошипно-шатунного механизма, совершающих возвратно-поступательное движение;

ω – частота вращения коленчатого вала;

r – радиус кривошипа;

α – угол, характеризующий положение центра масс подрессоренной части силового агрегата;

ϕ – угол поворота кривошипа коленчатого вала;

λ – безразмерный кинематический параметр двигателя внутреннего сгорания.

2. Силовой агрегат по п.1, отличающийся тем, что содержит по меньшей мере два нащёчных противовеса.