Зубчато-ременный привод механизмов двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к элементам зубчато-ременных приводов механизмов двигателя внутреннего сгорания (ДВС), в частности газораспределительного механизма (ГРМ) ДВС или его вспомогательных агрегатов. Зубчато-ременный привод ДВС, в частности ГРМ, содержит охваченные зубчатым ремнем ведущий и ведомые шкивы, а также элементы шумоглушения. Элементы шумоглушения выполнены в виде резонатора Гельмгольца, который образован замкнутой кольцевой полостью, сообщающейся посредством отверстий с атмосферой, в частности и через зазор, открытый с обеих сторон и образованный вершиной зуба ремня и впадиной в зубьях шкива. Резонатор настроен на собственную частоту низшей формы колебаний воздуха в зазоре. Технический результат заключается в повышении эффективности шумоглушения и снижении материалоемкости шкива. 5 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к элементам зубчато-ременного привода вспомогательных агрегатов или газораспределительного механизма (ГРМ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Классическая конструкция привода ГРМ описана, например, в заявке ФРГ N 2113533, кл. F 02 B 67/06, публ. 02.08.79 г. Привод содержит ведущий вал (коленчатый вал кривошипно-шатунного механизма) с зубчатым колесом и ведомый вал (кулачковый распределительный вал ГРМ) с зубчатым колесом, причем рабочие профили колес взаимосвязаны посредством зубчатого ремня. Зубчатые колеса (или шкивы), как правило, выполнены монолитными, с последующей механической обработкой зубчатого венца и ступицы, из металла (известно выполнение их и из полимерного материала), ремень выполнен из полимерного материала (резины) и армирован кордом. Конструкция таких приводов наряду с такими преимуществами, как компактность, простота, низкая стоимость и т. п., имеет ряд проблем и недостатков, к которым в том числе следует отнести следующие: повышенный шум при работе передачи, что обусловлено беспрепятственным генерированием и передачей акустических и вибрационных возбуждающих импульсов в процессе пересопряжения зубьев ремня и шкива, присоединенных близкорасположенных элементов защитных кожухов и других структурных элементов двигателя; усложнен процесс замены прошедших свой рабочий ресурс зубчатых колес, поскольку это предусматривает демонтаж колес с валов двигателя и замена их новыми, при одновременном обеспечении контроля установки и регулирования. При этом, как правило, заменяется все колесо, хотя процессу износа подвержена, как правило, только часть колеса, включающая непосредственно зубчатый венец. Здесь следует отметить и то, что процесс изготовления зубчатых колес включает достаточно сложных, многообразных технологических переходов, требует высокоточного оборудования, специальной дорогостоящей оснастки и инструмента, что обуславливает их достаточно высокую стоимость.

Из заявки Японии (JP)A N 63-225761, кл. F 16 H 55/48, публ. 20.09.88, известен шкив облегченной конструкции, корпус которого выполнен из синтетической смолы, смешанной со стекловолокном, венец которого снабжен U-образными канавками, облицованными тонким многослойным покрытием, с которым контактирует рабочая поверхность ремня. Покрытие выполнено из структуры, включающей кусочки ткани или асбеста, смешанные со смолой в термоактивном состоянии. Материалы шкива и покрытия имеют одинаковые коэффициенты объемного расширения, что обеспечивает нормальную работоспособность конструкции при нагревании шкива силами трения, приводящими его во вращение. Многослойное покрытие венца шкива не только позволяет улучшить износостойкость и сцепление его с приводным ремнем, но и в некоторой степени обеспечить частичное демпфирование структурного шума, излучаемого зубчатым колесом, изготовленным из полимерного материала с повышенным внутренним трением.

Из заявок Японии по классу F 16 H 55/48 NN 62-390 (В), публ. 07.01.87 и 61-43583 (В), публ. 29.09.86, известны шкивы ременной передачи сборной конструкции, в частности привода ГРМ, рабочий венец которых выполнен в виде отдельного съемного кольцевого элемента из износостойкой синтетической смолы, неподвижно смонтированного на ободе шкива посредством выступов в элементе и соответствующих им отверстий в ободе шкива. Такая конструкция позволяет производить замену только рабочих элементов колес в случае необходимости.

Из патента России N 2062338, кл. F 02 B 67/06, публ. 20.06.96, бюл. N 17, (ПРОТОТИП), известен привод вспомогательных агрегатов двигателя внутреннего сгорания, содержащий ведущий и по крайней мере один ведомый зубчатые шкивы, сплошной зубчатый ремень, охватывающий зубчатые венцы, элементы шумоглушения, выполненные в виде отверстий, расположенных во впадинах зубьев шкивов, причем отверстия выполнены глухими, глубина их составляет половину ширины ремня, а оси отверстий расположены в центрах впадин зубьев радиально к оси шкива.

Глухие отверстия, практически не ухудшая эксплуатационные и технологические характеристики привода, выполняют функции классических четвертьволновых акустических резонаторов для подавления излучения звука основной низшей собственной моды колебаний воздушных каналов, образующихся по ширине зубьев в зонах входа и выхода зубьев шкива и ремня из зацепления.

Механизм подавления излучения указанной выше конструкции основан на использовании четвертьволнового резонатора как сумматора волн противофазных амплитуд вследствие пробега волны по резонатору от зоны соединения с каналом до донышка и обратно на расстояние, равное половине длины волны. На этом и основывается механизм подавления излучения свистящего звука вытесняемого воздуха из зон входа и выхода зубьев ремня и колеса из зацепления.

Однако, несмотря на эффективность, рассмотренные резонаторы тупикового типа имеют нежелательно высокую чувствительность к настройке и ограниченную эффективность, и любое, даже очень незначительное отклонение конструктивных параметров такого резонатора или зубчатого колеса может снизить эффективность шумоглушения зубчато-ременного привода в целом. Особенно проблематично обеспечить стабильность приемлемой эффективности резонатора в условиях массового производства с неизбежным разбросом геометрических параметров конструкции зубчатых колес.

Цель изобретения - повышение эффективности шумоглушения привода за счет уменьшения чувствительности к настройке (расстройке) устройства шумоподавления. Еще одной целью является снижение материалоемкости конструкции шкива.

С этой целью, в известном зубчато-ременном приводе механизмов двигателя внутреннего сгорания, содержащем ведущий и по крайней мере один ведомый зубчатый шкивы, сплошной зубчатый ремень, охватывающий зубчатые венцы, и элементы шумоглушения, выполненные в виде отверстий, расположенных во впадинах зубьев шкивов и размещенных радиально к оси шкива, внутри шкива образована замкнутая кольцевая полость, сообщающаяся посредством отверстий с окружающей средой (зоной взаимного контактирования сопрягающихся зубьев ремня и колеса), при этом ширина ремня, объем полости, число отверстий и их проходное сечение связаны зависимостью: где B - ширина зуба ремня, м; F - общая площадь проходных сечений отверстий, м²; l - толщина отверстия, м; V - объем кольцевой полости (камеры резонатора Гельмгольца), м³.

При таком конструктивном исполнении техническая задача решается путем замены известного семейства тупиковых резонаторов на менее чувствительный к настройке и более эффективный по заглушению (более широкополосный по частоте) резонатор Гельмгольца. Одновременно с этим, выполнение внутри шкива кольцевой полости приводит к уменьшению материалоемкости конструкции.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где: - на фиг. 1 показан зубчато-ременный привод механизмов двигателя: - на фиг. 2 и 3 показаны сечения зубчатого колеса, в котором образован резонатор Гельмгольца; - на фиг. 4 показан фрагмент привода, когда зуб колеса охвачен зубом ремня:
- на фиг. 5 показана эпюра распределения давления звука на низшей собственной резонансной форме колебаний воздушного объема в зазоре, открытом с обеих сторон и образованном вершиной зуба ремня и впадиной между зубьями шкива.

Изображенный на фиг. 1 зубчато-ременный привод механизмов ДВС содержит охваченные зубчатым ремнем 1 ведущий 2 и два ведомых зубчатых шкива 3, а также элементы шумоглушения, выполненные в виде резонаторов Гельмгольца. Объем резонатора образован замкнутой кольцевой полостью 4, которая посредством отверстий 5 сообщается с атмосферой, в частности и через зазор 6, открытый с обеих сторон и образованный вершиной зуба 7 ремня 1 и впадиной 8 в зубьях 9 шкива 2 или 3. Геометрические параметры резонатора и зазора подобраны определенным образом, о чем подробно будет сказано ниже.

Работает зубчато-ременный привод механизмов двигателя обычным образом.

Акустические процессы, определяющие высокий уровень аэродинамического акустического излучения наиболее распространенного зубчато-ременного привода механизмов двигателя, обусловлены следующими факторами. Воздух, в силу газонепроницаемости плотных структур материалов ремня и венца шкива, сжимается в межзубных каналах (зазорах) 6, образующихся в зонах венца шкива 2 или 3 и ремня 1, входящих или выходящих из зацепления, и вытесняется с высокими скоростями через свободные срезы названных открытых с обеих сторон зазоров 6. По обеим сторонам этой зоны (ширины зуба - длины канала, открытого с обеих сторон) в процессе вытеснения воздуха образуются вихри. Они возникают потому, что по обе стороны от быстро движущегося потока воздуха давление быстро падает. Падение давления вызывает отсасывание струи с боков, поэтому большая скорость воздуха, выходящего из канала, и турбулентность струи приводят к образованию вихрей. Образование вихрей, их взаимодействие со свободными кромками образованных каналов и прохождение то по одну, то по другую сторону кромки вызывает колебания давления в ближнем объеме воздуха. Волны сжатия-разрежения, образуемые раскачкой столба воздуха в канале вихревыми явлениями на свободных кромках и бегущие вдоль канала, достигая открытого конца канала, встречают бесконечно малый объем воздуха в неограниченном наружном пространстве. Малый объем воздуха, который волна переместит из узкого канала в наружное пространство, не в состоянии повысить давление снаружи и поэтому волна не сможет выйти наружу, а отразившись от открытого конца канала (с очень малыми потерями энергии), вернется обратно и претерпит те же преобразования. Этот процесс последовательных отражений продолжается со скоростью распространения звуковых волн (~340 м/с при 20^oС). В результате наложения (суперпозиции) бегущих волн в таком канале образуется стоячая волна. При этом вдоль канала укладывается целое число полуволн с минимальными значениями давлений на концах, фиг.5, которые, в результате многократного отражения, складываясь, увеличивают амплитуду стоячей волны, что в конечном итоге приводит к акустическому резонансу. При резонансе отраженные волны комбинируются так, что усиливают друг друга. Это так называемая конструктивная, с точки зрения усиления излучения (а не деструктивная), интерференция волн. Резонанс в канале обеспечивает обратную связь и вызывает образование и усиление вихрей точно в такт с резонансной частотой (жестко связанной с длиной канала). В этом случае возникают условия, достаточные для возбуждения упругих (звуковых) волн, распространяемых от источника в неограниченное окружающее пространство.

Одновременно с подробно рассмотренным процессом генерирования звука с приводным зубчатым ремнем, имеют место и другие механизмы генерирования звука. Например, из-за быстрого изменения воздушного объема каналов и импульсного возбуждения воздушного столба на частоте пересопряжения зубьев, эти сравнительно низкочастотные возбуждающие импульсы выводят из состояния равновесия воздушные столбы каналов, колеблющиеся в затухающем режиме на своих собственных частотах, образуя соответствующий высокочастотный свист (писк).

В отличие от прототипа, где для подавления излучения звука основной низшей (первой) собственной моды колебаний воздуха в зазорах 6, образующихся в зонах входа и выхода зубьев 7 ремня 1 и впадин 8 шкивов 2 и/или 3 из зацепления, используется узконастроенный четвертьволновой резонатор, в предлагаемом приводе эту же самую функцию выполняет менее чувствительный к настройке и более широкополосный по частоте резонатор Гельмгольца, собственная частота которого совпадает с частотой низшей собственной формы колебаний (моды) воздуха в зазоре 6. Для этого, геометрические параметры: ширина ремня 1, объем полости 4, толщина отверстия ("горлышка" резонатора Гельмгольца) 5 и общая площадь проходных сечений отверстий выполняются в соответствии с зависимостью:

где B - ширина ремня (зазора 6), м;
F - общая площадь проходных сечений отверстий ("горлышек" резонатора), м²;
l - толщина отверстия или длина соединительной горловины резонатора, м;
V - объем камеры резонатора, м³.

Резонаторный глушитель работает на основе принципа акустического короткого замыкания. При совпадении частоты звука с собственной частотой резонатора объемная скорость массы газа в горлышках стремится к бесконечности, а акустическое сопротивление - к нулю. Таким образом, когда у горлышка проходит уплотненный участок звуковой волны, резонатор отбирает и аккумулирует в себе энергию, а затем возвращает ее разреженному участку волны. Следовательно, его работа сводится к сглаживанию колебаний, уменьшая их амплитуду. Резонатор Гельмгольца наиболее эффективно работает на частотах, близких к его собственной частоте, а максимальное заглушение отмечается на его резонаторной частоте: Гц. При этом, частотный диапазон его заглушения является более широкополосным в сравнении с диапазоном известного четвертьволнового резонатора. В этом проявляется его преимущество, как более широкополосного и менее чувствительного к настройке (расстройке) шумоглушащего устройства.

Таким образом, настраивая частоту резонатора Гельмгольца f_p на частоту наиболее интенсивного высокочастотного свиста зубчатого зацепления (где В - ширина ремня), обеспечиваем его эффективное шумоподавление. При этом, ослабляются проблемы точной настройки (расстройки) резонатора, и он является более эффективным по шумозаглушению. В это же время используются более легкие пустотелые зубчатые колеса.

Формула изобретения

1. Зубчато-ременный привод механизмов двигателя внутреннего сгорания, содержащий ведущий и по крайней мере один ведомый зубчатые шкивы, сплошной зубчатый ремень, охватывающий зубчатые венцы, и элементы шумоглушения, выполненные в виде отверстий, расположенных во впадинах зубьев шкивов и размещенных радиально к оси шкива, отличающийся тем, что внутри шкива образована замкнутая кольцевая полость, сообщающаяся посредством отверстий с окружающей средой, при этом ширина ремня, объем полости, "толщина" отверстия и общая площадь их проходного сечения связаны зависимостью

где В - ширина ремня, м;
F - общая площадь проходных сечений отверстий (горлышек резонатора) м²;
l - длина горловины ("толщина" отверстия), м;
V - объем камеры резонатора, м³.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5