Устройство компенсации моментов от инерционных сил второго порядка в пятицилиндровых рядных двигателях внутреннего сгорания

 

Сущность изобретения: коленчатый вал 6 двигателя связан через зубчатые передачи 10 и 11, размещенные на третьей и восьмой кривошипных щеках 10а и 11а, с компенсационными валами 16 - 19. Противовесы 8а, 8в, первого и второго компенсационных валов 16, 17 направлены в одну сторону, повернуты на угол 180°+ϕ относительно шатунной шейки 1 и расположены в полости второго кореннного подшипника 7. Противовесы 9а, 9в дополнительных компенсационных валов 18, 19 повернуты на 180^o относительно противовесов 8а и 8в и расположены в плоскости пятого коренного подшипника 8 коленчатого вала 6, причем оси компенсационных валов 16 - 19 смещены на величину "е" в одну и те же сторону относительно оси коленчатого вала 6. Угол v может быть равен 9^o поворота коленчатого вала. 2 з. п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для компенсации моментов второго порядка в многоцилиндровых рядных двигателях.

Из книги "Umdruck zur Vortesung Maschinendynamik" профессора Hussmann'a можно почерпнуть указание для компенсации свободных моментов масс первого, второго и более высоких порядков. По этому указанию в двигателях с четным количеством цилиндров и равномерной последовательностью зажигания свободные моменты масс уничтожаются. Однако в двигателях с нечетным количеством цилиндров и равномерной последовательностью зажигания требуется компенсация моментов. Это можно производить за тот счет, если для компенсации свободных моментов масс второго порядка предусмотреть два параллельных коленчатому валу компенсационных вала, которые вращаются в противоположном направлении с удвоенными оборотами коленчатого вала. Компенсационные валы на их свободных концах оборудуют компенсационными массами, которые смещены относительно друг друга на 180^о. Чтобы выдерживать фазовое положение противоположно вращающихся компенсационных валов относительно коленчатого вала обязательно должен быть предусмотрен жесткий по моменту вращения привод обоих компенсационных валов от коленчатого вала. Если смотреть в направлении звезды кривошипов коленчатого вала в исходном положении, лежащие параллельно друг другу компенсационные массы одной стороны следует сместить относительно друг друга на 180^о + ϕ относительно первого кривошипа коленчатого вала.

Под первым кривошипом при этом следует понимать кривошип, который находится на конце коленчатого вала, удаленном от маховика. По положению компенсационных валов следует сказать, что они должны быть параллельными коленчатому валу. В патенте США N 3667317 было предложено для компенсации сил масс второго порядка применять вращающиеся в противоположном направлении компенсационные массы, которые приводятся от коленчатого вала через зубчатки. Привод компенсационных валов в изображенном четырехцилиндровом двигателе производится от щеки кривошипа, соседней с плоскостью симметрии. Такая компенсация может компенсировать лишь силы масс (инерционные силы). Моменты масс относительно поперечной оси таким образом скомпенсировать нельзя.

Из DE-OS 3615695 известно, что можно располагать оба вращающихся в противоположном направлении компенсационных вала, вращающихся с двойными оборотами коленвала, в масляной ванне (картера). Компенсационные валы при этом расположены параллельно коленчатому валу и приводятся от него для сохранения оборотов и фазового положения посредством зубчатого венца и находящихся с ним в зацеплении зубчаток. Зубчатый венец сначала приводит через зубчатку второй компенсационный вал. Коэффициент передачи от зубчатого венца к зубчаткам компенсационных валов 1: 2. Так как речь идет о четырехцилиндровом двигателей, то, как известно, моменты масс не возникают, а возникают лишь инерционные силы. Чтобы здесь полностью устранить инерциальные силы второго порядка, компенсационные массы расположены лишь с одной стороны компенсационного вала в плоскости симметрии. Недостаток такого устройства заключается в том, что установка с возможностью вращения в картере создает серьезные проблемы в части максимальной точно выдерживаемого разноса осей малой и большой зубчатки. Как правило, уплотнение между карром и фланцем корыта производится упругими прокладками, которые неизбежно приводят к изменению расстояния между осями. Установка осей такого рода является вынужденным решением, если установка подшипников компенсационного вала с компенсационными массами в других элементах двигателя невозможна.

Пятицилиндровый рядный двигатель внутреннего сгорания вследствие несимметричности кривошипов в продольном направлении имеет свободные моменты масс первого и второго порядка. Эти действующие наружу и возрастающие пропорционально квадрату оборотов нагрузки должны выбираться моторной подвеской. Мешающие воздействию на окружающую среду в общем случае снижаются посредством использования упругих элементов в подвеске между двигателем внутреннего сгорания и фундаментом. За счет соответствующей настройки достигают, что вибрации поглощаются в основном инертными массами двигателя. Этот эффект, называемый "изоляцией", а именно уменьшение возбуждения вибраций в фундаменте, проявляется лишь при сверхкритичной настройке при nerr/ne > и тем самым эффективен чем далее рабочая частота nerr отличается от собственной частоты ne колебательной системы, т.е. чем больше расстояние между рабочей точкой и точкой резонанса.

Что касается нагрузок на фундамент, то при упругой подвеске и при необходимости согласованием демпфирования можно получать удовлетворительные результаты для пятицилиндрового двигателя. Так как возбуждающие силы при этом в основном гасятся в блоке двигателя и передаче, то возникают высокие нагрузки, вызывающие деформации, особенно в месте соединения двигателя с передачей, как в мягком звене колебательной системы. Так как эта система вследствие ее высокой собственной частоты (по сравнению с упругой подвеской) работает в докритическом режиме, нельзя слишком приближаться рабочей точкой к точке резонанса для избежания недопустимо высоких нагрузок. Вследствие имеющихся в пятицилиндровом двигателе моментов масс второго порядка, рабочий диапазон весьма узок, и повышение мощности и работа с более тяжелыми передачами приводит к снижению собственной частоты, и в результате к повышению амплитуды колебаний.

А это вызывает увеличение осевых перемещений в карданном валу, что при высоких моментах вращения приводит к появлению значительных осевых усилий и кроме неприятных осевых колебаний могут привести также и к повреждениям подшипников в передаче.

Исходя из компенсации моментов второго порядка по ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, в основе изобретения стоит задача так сконструировать компенсационные валы, что они также и в имеющихся двигателях внутреннего сгорания могут быть размещены в картере коленвала, без существенных изменений самого картера.

Задача эта решается отличительными признаками в отличительной части пункта 1 формулы изобретения.

За счет привода компенсационных валов от третьей и восьмой щеки кривошипов и расположения компенсационных масс в одной плоскости под соседними коренными подшипниками становится возможным размещение компенсационных масс в картере существующего пятицилиндрового рядного двигателя внутреннего сгорания без существенного изменения картера, так как они не мешают движению компенсационных масс, расположенных на остальных щеках кривошипов для компенсации моментов первого порядка. Компенсационные массы не расположены, как обычно, на одном общем компенсационном валу, а каждый из компенсационных валов отдельно посредством подшипников вращается в кожухе картера под подшипниками коленвала, причем корпус подшипников жестко соединен с картером коленвала. Таким образом не возникает проблем в выдержке расстояний между осями коленвала и осями вращения компенсационных масс. Сквозной компенсационный вал неминуемо мешал бы вращению кривошипов коленвала с их компенсационными массами первого порядка, так что прямое его размещение в картере коленвала существующего двигателя было бы невозможным.

Выгодное развитие компенсации моментов 1 формулы изобретения приведено в пункте 2 формулы изобретения.

За счет правильного выбора фазового положения между коленвалом и компенсационными массами можно устранить момент масс второго порядка.

На фиг.1 перспективно изображена схема соединения коленвала с компенсационным валами с жестко по вращению установленными компенсационными массами; на фиг.2 вид сбоку коленвала с приводом компенсационных валов и соединенных с ними компенсационных масс; на фиг.3 вид коленвала снизу с расположенными параллельно ему компенсационными валами; на фиг.4 вид с торца на звезду кривошипов коленвала с пятью симметрично расположенными кривошипами и первыми компенсационными массами; на фиг.5 вид с торца на звезду кривошипов как на фиг.4, однако с видом на вторые компенсационные массы; на фиг.6 расположение подшипников компенсационных валов в картере коленвала, вид спереди; на фиг.7 разрез по линии VII-VII фиг.6 с изображением исполнения компенсационных масс и их установки в подшипниках.

Схематичное изображение коленвала пятицилиндрового рядного двигателя внутреннего сгорания с равномерной последовательностью зажига приведено на фиг. 1. Коленвал 6 имеет равномерно смещенные по углу кривошипы 1-5. Порядок зажигания из этой звезды кривошипов получается 1-2-5-5-3. Нумерация кривошипов 1-5 начинается с кривошипа, наиболее удаленного от маховика 6а коленвала 6. Для компенсации моментов масс второго порядка под коренными подшипниками 7 и 8 между кривошипами 1 и 2, или 4 и 5 предусмотрено размещение первых и вторых компенсационных масс (противовесов) 8а, 8в и 9а, 9в соответственно.

Привод этих компенсационных масс производится посредством первого и второго зубчатых венцов 10 и 11, которые связаны с третьей кривошипной щекой 10а или соответственно с восьмой щекой 11а коленвала 6.

По изобретению при этом первые компенсационные массы 8а, 8в приводятся первым зубчатым венцом 10, который расположен на третьей щеке кривошипа 10а, а вторые компенсационные массы 9а, 9в приводятся от второго зубчатого конца 11, который расположен на восьмой щеке кривошипов. Эти щеки единственные, не несущие компенсационные массы для моментов первого порядка. Компенсационные массы 8а, 8в и 9а, 9в в свою очередь приводятся от зубчатых венцов 10, 11 через зубчатки 12-15, подробнее показанные на фиг.3-5. Компенсационные массы 8а, 8в, а также 9а, 9в на компенсационных валах 16-19 вращаются в корпусах подшипников (не показаны), которые соединены с корпусом (не показан) картера коленвала двигателя внутреннего сгорания.

Это распределение компенсационных масс 8а, 8в и 9а, 9в по коленвалу 6 показано на фиг.2. Первый зубчатый венец 10 установлен на третьей кривошипной щеке 10а между шатунными шейками 1 и 2. Он приводит через зубчатку 12 и компенсационный вал 16 компенсационную массу 8а. Компенсационная масса 8а при этом расположена под коренным подшипником 7. Находящаяся в той же плоскости компенсационная масса 8в приводится от зубчатки 12 через находящуюся с ней в зацеплении зубчатку 13 (см. фиг.4).

Вторая пара компенсационных масс 9а, 9в приводится вторым зубчатым венцом 11, который расположен на восьмой щеке кривошипов 11а между шатунными шейками 4 и 5 коленвала. Он через зубчатку 14 и компенсационный вал 18 приводит компенсационную массу 9а. Эта компенсационная масса 9а находится в плоскости под коренным подшипником 8. Находящаяся в той же плоскости компенсационная масса 9в приводится от зубчатки 14 через находящуюся с ней в зацеплении зубчатку 15, которую видно на фиг.5.

Смещение компенсационных масс 8а, 8в и 9а, 9в на 180^о создает момент относительно поперечной оси коленвала 6.

На фиг.3 показан вид снизу коленчатого вала 6 с компенсационными валами 16-19 и компенсационными массами 8а, 8в и 9а, 9в. Расположенный на третьей кривошипной щеке коленвала первый зубчатый венец приводит через зубчатки 12 и 13 первые компенсационные массы 8а, 8в, которые вращаются на компенсационных валах 16, 17. Компенсационные валы 16, 17 первых компенсационных масс 8а, 8в по изобретению смещены относительно средней линии коленвала 6 на величину е. Компенсационные валы 16-19 при этом могут быть сдвинуты влево или вправо, важным является, чтобы их сдвиг был в одну сторону для всех.

На ту же величину е и в ту же сторону смещены и компенсационные валы 18, 19 второй пары компенсационных масс 9а, 9в относительно средней линии коленвала 6.

За счет этого смещения по изобретению избегают появления результирующего из инерциальных сил компенсационных масс 8а, 8в и 9а, 9в момента вращения относительно средней линии коленвала 6, так как инерциальные силы имеют одинаковую величину, а момент вращения вследствие противоположного знака сил и одинакового смещения е уничтожается.

Вид на звезду кривошипов с первыми компенсационными массами 8а, 8в в направлении на первую шатунную шейку 1 показан на фиг.4. Первая шатунная шейка 1 в показанном положении звезды кривошипов смещена на угол ϕ 9^о в направлении против направления вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания относительно верхней мертвой точки для этой шатунной шейки. Остальные шатунные шейки 2-5, как уже упоминалось ранее, имеют равномерный сдвиг по углу.

Первые компенсационные массы 8а и 8в приводятся от первого зубчатого венца 10 через зубчатки 12 и 13 и компенсационные валы 16 и 17. При этом зубчатый венец 10 сначала приводит зубчатку 12, а она уже в свою очередь зубчатку 13. Коэффициент передачи с венца 19 на зубчатки 12 и 13 выбран равным 1:2, так что компенсационные массы 8а, 8в вращаются в противоположные стороны с удвоенными оборотами коленвала.

Компенсационные валы 16 и 17 в изображенном примере на величину е смещены вправо и создают в показанном положении относительно средней линии коленвала момент вращения, направленный вправо. Этот момент вращения, однако, компенсируется моментом вращения компенсационных масс 9а, 9в, как следует из фиг.5.

На фиг.5 показан вид также со стороны первой шатунной шейки 1 коленвала на вторую пару компенсационных масс 9а, 9в. Они приводятся от второго зубчатого венца 11, который находится на восьмой кривошипной щеке (фиг.2). Второй зубчатый венец 11 входит в зацепление с зубчаткой 14 компенсационного вала 18, который жестко по вращению соединен с компенсационной массой 9а. Зубчатка 14, в свою очередь, приводит через зубчатку 15 компенсационный вал 19, который жестко по вращению связан со второй компенсационной массой 9в. Компенсационные валы 18 и 19 также как и компенсационные валы 16 и 17 на величину е сдвигают вправо. За счет этого избегают появления момента вращения относительно средней линии коленвала (фиг.4). Смещение е для фиг.4 и 5 может быть и влево, существенно только то, что первые и вторые компенсационные массы 8а, 8в и 9а, 9в были бы смещены на одинаковую величину е в одну и ту же сторону.

Конструктивное решение подшипников компенсационных валов и их крепления к картеру 20 коленвала изображено на фиг.6. В качестве примера рассмотрены подшипники для компенсационных масс 8а и 8в. Обе компенсационные массы 8а и 8в вращаются в корпусах подшипников 21, которые посредством четырех винтов 22 крепятся прямо к картеру (корпусу) 20. Привод компенсационных масс производится от зубчатого венца 10, который согласно фиг.1 и 2 расположен на третьей щеке 10а кривошипа и входит в зацепление с зубчаткой 12. Она приводит через компенсационный вал 16 компенсационную массу 8а, тогда как входящая в зацепление с зубчаткой 12 вторая зубчатка 13 приводит параллельно расположенный компенсационный вал 17 с соответствующей компенсационной массой 8в.

На фиг.7 показано крепление компенсационной массы 8а в корпусе подшипника 21. Компенсационная масса 8а разделяется на половинку 25, которая образует одно целое с компенсационным валом 16, и вторую половинку 25, которая образует единое целое с зубчаткой 12. Половинка 27 с зубчаткой 12 надета на компенсационный вал 16 и связана с ним жестко по вращению, например, за счет термической посадки. Привод зубчатки 12 осуществляет зубчатый венец 10, надетый на третью кривошипную щеку 10а и связанный с ней жестко по вращению. Распределение масс обеих настолько удалено от плоскости симметрии двигателя, что инерциальные силы компенсируют половину момента масс второго порядка, тогда как моменты масс другой стороны (не показана) компенсируют другую половину момента масс второго порядка. Смазка вращающегося в крышке 26 подшипника (21) компенсационного вала 16 производится через соединенный с системой принудительной смазки двигателя канал 28.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ МОМЕНТОВ ОТ ИНЕРЦИОННЫХ СИЛ ВТОРОГО ПОРЯДКА В ПЯТИЦИЛИНДРОВЫХ РЯДНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащее корпус, коленчатый вал, связанные с ним при помощи зубчатой передачи первый и второй компенсационные валы с противовесами, причем оси компенсационных валов параллельны оси коленчатого вала и расположены по обе ее стороны, а частота вращения компенсационных валов в два раза больше частоты вращения коленчатого вала, опоры компенсационных валов, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными третьими и четвертыми компенсационными валами с противовесами, компенсационные валы выполнены с зубчатыми венцами, третья и восьмая кривошипные щеки выполнены с зубчатыми венцами, последние связаны соответственно с зубчатыми венцами первого и третьего компенсационных валов, которые связаны с зубчатыми венцами второго и четвертого компенсационных валов, противовесы первого и второго компенсационных валов направлены в одну сторону и повернуты на угол 180°+ϕ относительно первой шатунной шейки и расположены в плоскости второго коренного подшипника коленчатого вала, противовесы дополнительных валов повернуты на 180^o относительно противовесов первого и второго компенсационных валов и расположены в плоскости пятого коренного подшипника коленчатого вала, причем оси компенсационных валов смещены на величину e в одну и ту же сторону относительно оси коленчатого вала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что угол v составляет 9^o поворота коленчатого вала.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпуса опор компенсационных валов жестко прикреплены при помощи винтов к корпусу под вторым и пятым коренными подшипниками, а противовесы выполнены из двух частей, одна часть выполнена заодно с компенсационным валом, а другая выполнена с зубчатым венцом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7