Импульсное колесо двигателя
Изобретение относится к области поршневых двигателей. Импульсное колесо 20 двигателя, содержит кольцевидную центральную часть 21 и цилиндрический обод 24, содержащий некоторое количество импульсных зубьев 26. Кольцевидная центральная часть 21 и цилиндрический обод 24 изготовлены методом штамповки из единого куска металла. В кольцевидной центральной части 21 предусмотрено некоторое количество балансировочных отверстий 23 для смещения центра масс импульсного колеса 20 из оси вращения. Будучи прикреплено к коленчатому валу 10 двигателя 1, импульсное колесо 20 двигателя обеспечивает возможность определения углового положения коленчатого вала 20 и выполнения функции противовеса. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 11 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области поршневых двигателей, содержащих коленчатый вал, и, в частности, к импульсному колесу для такого двигателя, предназначенному для определения углового положения коленчатого вала двигателя.
Уровень техники
В соответствии с известным уровнем техники к коленчатому валу двигателя присоединяют импульсное колесо, содержащее некоторое количество зубьев, расположенных на его периферии. Такое импульсное колесо должно быть достаточно большого диаметра, чтобы обеспечить возможность получения достоверного сигнала.
В соответствии с известными решениями в непосредственной близости от импульсного колеса устанавливают датчик, регистрирующий прохождение каждого из зубьев для использования полученной информации системой управления двигателем для определения углового положения коленчатого вала. Обычно такое импульсное колесо прикрепляют к коленчатому валу в месте, расположенном за пределами блока цилиндров двигателя. Недостаток такой конструкции состоит в том, что она увеличивает общую длину двигателя, что нежелательно для многих современных транспортных средств.
Потребность в малоразмерных двигателях постоянно возрастает, особенно для городских автомобилей и гибридных транспортных средств с ограниченными размерами пространства, имеющегося для установки двигателя.
Кроме того, двигатель, установленный в передней части транспортного средства представляет собой жесткую точку с точки зрения лобового соударения, вследствие чего желательно обеспечить максимальное уменьшение размеров двигателя. В связи с этим любые решения, обеспечивающие возможность минимизации размеров и, в частности, длины двигателя, обладают преимуществами.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в предложении усовершенствованного импульсного колеса для двигателя.
В соответствии с первым независимым пунктом формулы настоящего изобретения предложено импульсное колесо двигателя, изготовленное методом штамповки из единого куска стали, содержащее кольцевидную центральную часть и цилиндрический обод, расположенный вокруг внешнего края кольцевидной центральной части, причем цилиндрический обод содержит множество импульсных зубьев, распределенных с промежутками по окружности, причем кольцевидная центральная часть содержит по меньшей мере одно отверстие, выполненное в ней для смещения центра масс импульсного колеса из оси вращения импульсного колеса, причем цилиндрический обод содержит некоторое количество отверстий, распределенных с промежутками по окружности, причем каждый из импульсных зубьев образован промежутком между двумя смежными отверстиями.
Каждый из импульсных зубьев может быть ориентирован, по существу, параллельно оси, вокруг которой импульсное колесо вращается в рабочем режиме.
Кольцевидная центральная часть может содержать некоторое количество распределенных по окружности крепежных отверстий, используемых для прикрепления импульсного колеса к коленчатому валу двигателя.
В соответствии со вторым независимым пунктом формулы настоящего изобретения предложен двигатель, содержащий коленчатый вал, расположенный внутри блока цилиндров двигателя, причем коленчатый вал содержит некоторое количество противовесов для динамической балансировки коленчатого вала в рабочем режиме, в число которых входит концевой противовес, расположенный в непосредственной близости от одной из торцевых стенок блока цилиндров двигателя, причем в концевом противовесе выполнено углубление, в котором установлено импульсное колесо в соответствии с первым независимым пунктом формулы изобретения, причем импульсное колесо имеет угловое положение и неуравновешенную массу, достаточные для компенсации нарушения равновесия, вызванного удалением материала из концевого противовеса в связи с созданием углубления, причем цилиндрический обод импульсного колеса отходит от указанной одной из торцевых стенок блока цилиндров двигателя.
Импульсное колесо может содержать некоторое количество распределенных по окружности балансировочных отверстий, причем размеры, распределение и расположение балансировочных отверстий в импульсном колесе подбирают так, чтобы компенсировать удаление материала из концевого противовеса в связи с созданием углубления.
Глубина углубления в концевом противовесе может быть, по существу, равна толщине кольцевидной центральной части импульсного колеса.
Краткое описание чертежей
Ниже следует описание примера осуществления настоящего изобретения, приведенное со ссылками на прилагаемые чертежи. На чертежах:
На фиг. 1 представлено схематическое изображение вида сбоку трехцилиндрового двигателя, выполненного согласно изобретению;
На фиг. 2а представлен вырыв торцевой части двигателя, иллюстрирующий расположение противовеса коленчатого вала относительно торцевой стенки блока цилиндров двигателя;
На фиг. 2b представлен вырыв части двигателя, представленной на фиг. 2а, иллюстрирующий возникновение несовместимости размещенного на противовесе дискового импульсного колеса согласно уровню техники с торцевой стенкой блока цилиндров;
На фиг. 3а представлен вид спереди импульсного колесо согласно первому независимому пункту формулы настоящего изобретения;
На фиг. 3b представлен вид сбоку импульсного колеса, показанного на фиг. 3а;
На фиг. 4 представлено наглядное изображение импульсного колеса, показанного на фиг. 3а и 3b;
На фиг. 5 представлено наглядное изображение импульсного колеса, развернутое относительно показанного на фиг. 4, иллюстрирующее импульсное колесо, размещенное на одном из концов коленчатого вала двигателя, и расположение соответствующего датчика;
На фиг. 6 представлен разрез указанного конца коленчатого вала и торцевой стенки двигателя, иллюстрирующий расположение импульсного колеса на коленчатом вале;
На фиг. 7 представлен вид импульсного колеса, установленного на коленчатом вале, по направлению стрелки F на фиг. 6;
На фиг. 8 представлен вид частичного разреза импульсного колеса, установленного на коленчатом вале, по направлению стрелки R на фиг. 6; и
На фиг. 9 представлено прозрачное наглядное изображение одного из торцов блока цилиндров двигателя, иллюстрирующее расположение импульсного колеса и соответствующего ему датчика.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 представлен трехцилиндровый двигатель 1, содержащий головку 2 блока цилиндров, блок 3 цилиндров и поддон 4 картера. В блоке 3 цилиндров установлен с возможностью вращения коленчатый вал 10, на одном из концов которого предусмотрен маховиковый фланец 12 для прикрепления к коленчатому валу 10 маховика (не показан на фиг. 1). Общую длину L блока 3 цилиндров минимизируют для оптимизации компоновки двигателя 1 в транспортном средстве.
На фиг. 2а представлена в более крупном масштабе торцевая часть блока 3 цилиндров вблизи маховикового фланца 12 и установленного на маховиковом фланце 12 маховика 8, обозначенного пунктиром.
Блок 3 цилиндров содержит несколько внутренних стенок 3w и ограничен с обеих сторон торцевыми стенками 3e. Стенки 3w, 3e блока 3 цилиндров выполнены с возможностью установки в них некоторого количества подшипников 15, используемых для поддержки коленчатого вала 10 двигателя 1 посредством главных опорных шеек 13, 13е с возможностью его вращения вокруг продольной оси коленчатого вала 10.
Коленчатый вал 10 также содержит три шатунные опорные шейки 14, лишь одна из которых представлена на фиг. 2а.
В соответствии с известным уровнем техники коленчатый вал 10 содержит некоторое количество противовесов, из которых на фиг. 2а представлен лишь концевой противовес 11.
Следует понимать, что торцевая стенка 3e расположена максимально близко к противовесу 11 для минимизации общей длины L блока 3 цилиндров.
В такой конструкции импульсное колесо обычно устанавливают на части коленчатого вала 10, расположенной вне блока 3 цилиндров, что приводит к увеличению длины двигателя 1 в связи с расположением импульсного колеса и соответствующего ему датчика за пределами блока 3 цилиндров.
На фиг. 2b изображен вид идентичный виду на фиг. 2а за исключением того, что на ней представлено дисковое импульсное колесо T согласно уровню техники, установленное на внешней стороне противовеса 11. Как может быть видно из фиг. 2b, это приводит к несовместимости с торцевой стенкой 3e блока 3 цилиндров, которая может быть устранена только путем перемещения торцевой стенки 3e в направлении, обозначенном на фиг. 2b стрелкой Н. Такое перемещение торцевой стенки 3e приводит к увеличению общей длины блока 3 цилиндров.
На фиг. 3-9 представлено импульсное колесо 20 двигателя, содержащее центральную дисковую часть 21 и цилиндрический краевой обод 24 на периферии.
В проиллюстрированном примере дисковая часть 21 содержит девять балансировочных отверстий 23, выштампованные для смещения центра масс импульсного колеса 20 из оси вращения импульсного колеса 20. В дисковой части 21 также предусмотрено некоторое количество крепежных отверстий 29 для прикрепления импульсного колеса 20 к коленчатому валу 10. Каждое из крепежных отверстий 29 содержит скошенную кромку для удобства ввода крепежных элементов.
Дисковая часть 21 содержит центральное отверстие 22, имеющее достаточно большой диаметр для обеспечения возможности установки импульсного колеса 20 за маховиковым фланцем 12. Таким образом, дисковая часть 21 имеет кольцевидную форму, внутренний край которой определен центральным отверстием 22, а внешний периферический край примыкает к внешней поверхности цилиндрического обода 24.
Цилиндрический обод 24 содержит некоторое количество расположенных через промежутки штампованных отверстий 25. Импульсные зубья 26 образованы промежутками между смежными отверстиями 25. В проиллюстрированном примере предусмотрено шестьдесят импульсных зубьев 26, причем два зуба пропущены, образуя контрольное отверстие 28, длина которого в направлении по окружности значительно превосходит длину любого другого отверстия 25.
Внутренний радиус цилиндрического обода 24 достаточно большой для обеспечения возможности размещения цилиндрического обода 24 вокруг противовеса 11 при установке импульсного колеса 20 на коленчатый вал 10.
Импульсное колесо 20 изготовлено из единого куска стали, деформированного для образования дисковой части 21 и краевой части 24. В данном случае импульсное колесо 20 изготовлено методом штамповки и, следовательно, представляет собой штампованное стальное импульсное колесо.
Одно из преимуществ импульсного колеса 20 состоит в том, что длина каждого из импульсных зубьев 26 не ограничена толщиной материала, использованного для изготовления импульсного колеса 20. Длина каждого из импульсных зубьев 26 значительно превышает толщину дисковой части 21, так как они выполнены на завернутом цилиндрическом ободе 24 импульсного колеса 20. В связи с этим импульсное колесо 20 может быть изготовлено из сравнительно тонкого материала, например, из стального листа толщиной 0,0025 м, которому легко может быть придана требуемая форма, а длина каждого из импульсных зубьев 26 может составлять 0,01 м.
Таким образом, поскольку толщина импульсного колеса 20 не влияет на его рабочие характеристики с точки зрения выдачи достоверных сигналов, оно может быть сделано сравнительно тонким.
Дополнительное преимущество использования завернутого цилиндрического обода 24 состоит в том, что он образует клеточную структуру, что обеспечивает защиту импульсных зубьев 26 от повреждений. Кроме того, поскольку импульсные зубья 26 составляют часть цилиндрического обода 24, импульсные зубья 26 обладают более высокой прочностью на изгиб, чем могли бы обладать отдельные зубья тех же размеров.
В связи со смещением центра масс импульсного колеса 20 относительно оси его вращения вращение импульсного колеса 20 создает неуравновешенную силу, направленную в радиальном наружном направлении, обозначенном вектором V (см. фиг. 3a), проходящим через центр масс и ось вращения. В проиллюстрированном примере вектор V направлен относительно верхнего из крепежных отверстий 29 под углом 6, составляющим 3,414 радиана (195,6 градуса).
Величина и направление такой неуравновешенной силы зависит от толщины материала, используемого для изготовления импульсного колеса 20, расположения, размеров и числа отверстий 23 и скорости вращения импульсного колеса 20.
Для обеспечения возможности установки импульсного колеса 20 в пределах блока 3 цилиндров в противовесе 11 предусмотрено углубление 11r (фиг. 6), в которое входит импульсное колесо 20. Размер центрального отверстия 22 кольцевидной дисковой части 21 импульсного колеса 20 подобран так, чтобы обеспечить возможность его надевания с легким нажимом на выступающую по окружности внутреннюю стенку 11w углубления 11r, что обеспечивает фиксированное радиальное положение импульсного колеса 20 на коленчатом вале 10. Глубина углубления 11r, по существу, равна толщине материала в дисковой части 21 импульсного колеса 20. Потерю материала противовеса 11, вызванную наличием углубления 11r, и его уравновешивающего действия компенсирует уравновешивающее действие импульсного колеса 20 так, что при установленном на коленчатом вале 10 импульсном колесе обеспечивают такое же уравновешивающее действие, как в случае отсутствия углубления и импульсного колеса 20.
В проиллюстрированном примере импульсное колесо 20 прикрепляют к коленчатому валу 10 посредством трех резьбовых крепежных элементов 30. Каждый из резьбовых крепежных элементов 30 содержит цилиндрическую штыревую часть, входящую в зенкованное отверстие 37 в коленчатом вале 10, и концевую часть с резьбой. Каждый из резьбовых крепежных элементов 30 проходит сквозь одно из трех крепежных отверстий 29 в дисковой части 21 импульсного колеса 20 для закрепления в одном из резьбовых отверстий 31, предусмотренных в коленчатом вале 10. Импульсное колесо 20 прикреплено к коленчатому валу 10 так, что цилиндрический обод 24 отходит от ближайшей торцевой стенки 3e блока 3 цилиндров и охватывает противовес 11.
Таким образом, размеры и расположение балансировочных отверстий 23 в дисковой части 21 подбирают так, чтобы скомпенсировать уменьшение балансировочной массы противовеса 11. Следует понимать, что угловое расположение балансировочных отверстий 23 подбирают так, чтобы обеспечить смещение центра масс импульсного колеса 20, компенсирующее уменьшение количества материала в противовесе 11, вызванное образованием углубления 11r. Следовательно, во время вращения коленчатого вала 10 уравновешивающее действие противовеса 11 с импульсным колесом 20, по существу, совпадает с уравновешивающим действием противовеса 11 без углубления 11r.
Таким образом, использование такого импульсного колеса 20 обеспечивает возможность установки импульсного колеса 20 в пределах блока 3 цилиндров без необходимости увеличения длины L блока 3 цилиндров.
Как показано на фиг. 5 и 9, датчик 50, составляющий часть системы управления двигателем, в рабочем режиме расположен в непосредственной близости от цилиндрического обода 24 импульсного колеса 20 для обеспечения возможности регистрации прохождения импульсных зубьев 26.
Таким образом, в целом, ключевой элемент настоящего изобретения состоит в сочетании загнутого/клеточного импульсного колеса со штампованными балансировочными отверстиями, исключающими необходимость полной балансировки данного элемента.
Такое импульсное колесо может быть установлено внутри двигателя с минимальными изменениями имеющегося противовеса (поскольку колесо обладает малой толщиной и обеспечивает сохранение массы в том же угловом положении, что и противовес).
Использование загнутой/клеточной конструкции зубьев обеспечивает возможность установки соответствующего датчика ближе к блоку цилиндров без необходимости использования импульсного колеса большей толщины. Загнутая/клеточная конструкция образует замкнутую полосу, которая предохраняет зубья от повреждения.
Поскольку из противовеса удаляют чрезвычайно малое количество материала, это позволяет придать противовесу достаточную толщину для просверливания в нем балансировочных отверстий на производственном конвейере, что обеспечивает возможность сохранения высокой скорости и низкой стоимости производственного процесса.
Малая толщина импульсного колеса также обеспечивает возможность изготовления этого элемента методом штамповки.
Штампованное импульсное колесо недорого в изготовлении и обеспечивает возможность точной регулировки части балансировки без необходимости ее полной проверки.
Специалистам в данной области должно быть ясно, что, хотя настоящее изобретение было описано выше на примерах одного или нескольких вариантов его осуществления, оно не ограничено описанными вариантами осуществления, и могут быть предусмотрены альтернативные варианты его осуществления, не выходящие за пределы сущности изобретения, определенной прилагаемой формулой изобретения.
1. Импульсное колесо двигателя, изготовленное методом штамповки из единого куска стали, содержащее: кольцевидную центральную часть и цилиндрический обод, расположенный вокруг внешнего края кольцевидной центральной части, причем цилиндрический обод содержит множество импульсных зубьев, распределенных с промежутками по окружности, причем кольцевидная центральная часть содержит по меньшей мере одно отверстие, выполненное в ней для смещения центра масс импульсного колеса из оси вращения импульсного колеса, причем цилиндрический обод содержит некоторое количество отверстий, распределенных с промежутками по окружности, причем каждый из импульсных зубьев образован промежутком между двумя смежными отверстиями.
2. Импульсное колесо по п. 1, в котором каждый из импульсных зубьев ориентирован, по существу, параллельно оси, вокруг которой импульсное колесо вращается в рабочем режиме.
3. Импульсное колесо по п. 1 или 2, в котором кольцевидная центральная часть содержит некоторое количество распределенных по окружности крепежных отверстий, используемых для прикрепления импульсного колеса к коленчатому валу двигателя.
4. Двигатель, содержащий коленчатый вал, расположенный внутри блока цилиндров двигателя, причем коленчатый вал содержит некоторое количество противовесов для динамической балансировки коленчатого вала в рабочем режиме, в число которых входит концевой противовес, расположенный в непосредственной близости от одной из торцевых стенок блока цилиндров двигателя, причем в концевом противовесе выполнено углубление, в котором установлено импульсное колесо по любому из пп. 1-3, причем импульсное колесо имеет угловое положение и неуравновешенную массу, достаточные для компенсации нарушения равновесия, вызванного удалением материала из концевого противовеса в связи с созданием углубления, причем цилиндрический обод импульсного колеса отходит от указанной одной из торцевых стенок блока цилиндров двигателя.
5. Двигатель по п. 4, в котором импульсное колесо содержит некоторое количество распределенных по окружности балансировочных отверстий, причем размеры, распределение и расположение балансировочных отверстий в импульсном колесе подбирают так, чтобы компенсировать удаление материала из концевого противовеса в связи с созданием углубления.
6. Двигатель по п. 4 или 5, в котором глубина углубления в концевом противовесе, по существу, равна толщине кольцевидной центральной части импульсного колеса.
