устройство для уравновешивания поршневой машины

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ УРАВНОВЕШИВАНИЯ ПОРШНЕВОЙ МАШИНЫ по меньшей мере с одним кривошипно-шатунным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения по меньшей мере одного установленного в цилиндре поршня во вращательное движение коленчатого вала и наоборот, содержащее по меньшей мере один ротор, установленный с возможностью вращения вокруг своей оси и связанный с коленчатым валом машины при помощи механизма привода ротора во вращение с частотой, кратной частоте вращения коленчатого вала, по меньшей мере один статор и по меньшей мере один подвижный противовес, установленный на роторе с возможностью взаимодействия со статором, отличающееся тем, что устройство снабжено средством для возвратно-поступательного перемещения центра масс противовеса, а последний установлен с возможностью перемещения вдоль оси ротора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство для возвратно-поступательного перемещения центра масс снабжено по меньшей мере одной первой направляющей, выполненной в роторе или статоре вдоль оси ротора, по меньшей мере одной выполненной соответственно в статоре или роторе второй извилистой замкнутой направляющей, расположенной вокруг оси ротора, и по меньшей мере одним подвижным элементом, установленным с возможностью взаимодействия и перемещения вдоль первой и второй направляющих.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что каждая направляющая выполнена в виде открытой канавки, а подвижный элемент установлен частично в первой канавке и частично во второй канавке.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что первая канавка выполнена на наружной поверхности ротора, а вторая канавка - на внутренней поверхности статора.

5. Устройство по пп.2 - 4, отличающееся тем, что подвижный элемент выполнен в виде тела качения.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что тело качения выполнено в виде шарика.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что профиль второй канавки выполнен в виде кривой с возможностью касания с профилем шарика в двух точках и возможностью образования зазора с профилем шарика между точками касания.

8. Устройство по пп.2 - 7, отличающееся тем, что средство для возвратно-поступательного перемещения центра масс противовеса снабжено по меньшей мере двумя подвижными элементами, расположенными симметрично вокруг оси ротора, а вторая направляющая выполнена с числом извилин, равным или кратным числу подвижных элементов.

9. Устройство по пп.2 - 8, отличающееся тем, что противовес образован одним или несколькими подвижными элементами.

10. Устройство по пп.1 - 9, отличающееся тем, что ось ротора расположена параллельно направлению действия сил инерции, создаваемых поступательно перемещаемыми частями поршневой машины, связанными с ее поршнем или поршнями.

11. Устройство по п.10 для уравновешивания четырехцилиндровой однорядной поршневой машины с параллельными осями цилиндров и осями кривошипов, расположенными в одной плоскости, отличающееся тем, что ось ротора расположена параллельно осям цилиндров, а механизм привода ротора снабжен угловой передачей.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что ось ротора расположена посередине между осями второго и третьего цилиндров.

13. Устройство по п.11, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным ротором, причем оси роторов расположены в плоскости, проведенной параллельно осям цилиндров через линию, параллельную осям цилиндров, и расположенную посередине между осями второго и третьего цилиндров.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что оси роторов расположены на равных расстояниях от линии, проведенной посередине между осями второго и третьего цилиндров, а противовесы и вторые направляющие выполнены одинаковыми.

15. Устройство по п.13, отличающееся тем, что оси роторов расположены на разных расстояниях от линии, проведенной посередине между осями второго и третьего цилиндров, а противовесы и (или) вторые направляющие выполнены разными.

16. Устройство по пп.11 - 15 для уравновешивания поршневой машины с по меньшей мере одним дополнительным валом, установленным параллельно коленчатому валу и связанным с ним при помощи механизма привода с частотой, кратной частоте вращения коленчатого вала, например кулачковым валом привода клапанов системы газораспределения, отличающееся тем, что угловая передача связана с дополнительным валом.

17. Устройство по п.16 для уравновешивания поршневой машины с дополнительным валом, расположенным в головке цилиндров, отличающееся тем, что ротор и статор установлены на головке цилиндров.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к уравновешиванию машин, а более точно к устройствам уравновешивания сил инерции поступательно движущихся масс в поршневых машинах, и может быть использовано для уменьшения колебаний поршневых машин, преимущественно двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с шатунно-кривошипными механизмами преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатых валов, и наоборот.

В поршневых машинах с шатунно-кривошипными механизмами преобразования возвратно-поступательного движения, установленных в цилиндрах поршней, во вращательное движение коленчатого вала машины вокруг своей оси, и наоборот, в частности - в ДВС, при работе поступательно движущиеся массы поршней и связанных с ними элементов машины создают силы инерции. Если эти силы не уравновешены, то они вызывают колебания, которые отрицательно влияют как на поршневую машину, так и на объект, на котором установлена такая машина, например транспортное средство с ДВС.

Уравновешивание сил инерции первого порядка, вызываемых поступательно движущимися массами, не представляет значительных трудностей. Уравновешивание сил инерции второго и более высоких порядков представляет собой более сложную задачу. Особенно актуально решение этой задачи для четырехцилиндровых однорядных ДВС, имеющих наибольшее распространение в автомобильной технике.

Известны устройства для уравновешивания поршневых машин, преимущественно ДВС, с шатунно-кривошипными механизмами преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала, и наоборот, содержащие противовесы, закрепленные на двух дополнительных уравновешивающих валах, связанных с коленчатым валом машины при помощи механизма привода уравновешивающих валов во встречное вращение с частотой, вдвое большей частоты вращения коленчатого вала ("Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей", изд. 4, под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова, М., "Машиностроение", 1984, стр. 70, рис. 3б).

Такие устройства усложняют поршневые машины и вызывают ряд проблем, связанных с приводом дополнительных уравновешивающих валов, размещением этих валов и противовесов, обеспечением работоспособности подшипников, воспринимающих нагрузки от противовесов, приводимых во вращение с частотой, вдвое большей частоты вращения коленчатого вала. Несмотря на известность ряда конструкций, направленных на решение этих проблем, большинство поршневых машин, у которых не уравновешены силы инерции второго порядка, не снабжены устройствами уравновешивания этого типа. Следует отметить, что указанные известные устройства уравновешивания не обеспечивают полное уравновешивание машин, так как оставляют неуравновешенными силы инерции выше второго порядка.

Известно также устройство для уравновешивания сил инерции второго порядка в поршневой машине, содержащее один сателлит, находящийся в постоянном зацеплении с коронной шестерней, имеющей внутренние зубья, число которых вдвое больше числа зубьев сателлита, и установленный на водиле, связанном с коленчатым валом машины при помощи передачи, обеспечивающей вращение водила с частотой, вдвое большей частоты вращения коленчатого вала, и противовес, закрепленный на водиле так, что центр масс противовеса расположен на делительной окружности сателлита. В этом устройстве центр масс противовеса при вращении коленчатого вала перемещается прямолинейно возвратно-поступательно в плоскости, перпендикулярной оси вращения водила. Однако при реализации такого устройства возникают трудности, связанные с его размещением на поршневой машине, а также с обеспечением работоспособности подшипников сателлита.

Дальнейшим развитием этого направления является устройство, содержащее планетарный механизм с противовесами на нескольких сателлитах, установленный на коленчатом валу поршневой машины, и имеющее те же недостатки, что и вышеупомянутое устройство с одним сателлитом.

Кроме того, известны устройства для уравновешивания поршневых машин указанного типа, содержащие по меньшей мере один кулачок, закрепленный на коленчатом валу машины, и по меньшей мере один противовес, перемещаемый кулачком при вращении коленчатого вала.

Такие устройства при соответствующем профилировании кулачков могут полностью уравновесить силы инерции поступательно движущихся масс. Основными проблемами, возникающими при реализации уравновешивающих устройств этого типа, являются проблема обеспечения требуемых зазоров между элементами устройства и проблема прижима противовеса к кулачку при всех направлениях движения противовеса и при всех скоростных режимах.

Решение второй проблемы достигнуто в устройстве, содержащем по меньшей мере один противовес, выполненный в виде удлиненного элемента с роликовыми толкателями на концах, установленного в прямолинейной направляющей картера поршневой машины - ДВС между коленчатым валом и кулачковым валом и приводимого в возвратно-поступательное движение двумя кулачками, один из которых, имеющий два выступа, закреплен на коленчатом валу и обеспечивает перемещение противовеса в одном направлении, а другой, имеющий четыре выступа, закреплен на кулачковом валу и обеспечивает перемещение противовеса в другом направлении. Однако для безударного взаимодействия кулачков и толкателей в этом устройстве необходимо выдерживать повышенную точность изготовления элементов устройства и взаимного расположения валов, превышающую нормальную точность изготовления современных поршневых машин, в частности ДВС, в условиях массового производства.

Известно также устройство для уравновешивания поршневой машины по меньшей мере с одним кривошипно-шатунным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения, по меньшей мере одного установленного в цилиндре поршня во вращательное движение коленчатого вала, и наоборот, содержащее, по меньшей мере один ротор, установленный с возможностью вращения вокруг своей оси и связанный с коленчатым валом машины при помощи механизма привода ротора во вращение с частотой, кратной частоте вращения коленчатого вала машины, по меньшей мере один статор и по меньшей мере один противовес, взаимодействующий с ротором и статором. Хотя такое устройство, создающее при работе переменную по величине силу, вектор которой совершает вращательное движение с частотой, равной частоте вращения коленчатого вала, непригодно для уравновешивания сил инерции второго и более высоких порядков, само устройство представляет интерес тем, что оно обеспечивает разгрузку опор ротора от передачи сил, создаваемых противовесом.

Кроме того, известно устройство для уравновешивания поршневой машины по меньшей мере с одним кривошипно-шатунным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения, по меньшей мере одного установленного в цилиндре поршня во вращательное движение коленчатого вала, и наоборот, содержащее по меньшей мере один ротор, установленный с возможностью вращения вокруг своей оси и связанный с коленчатым валом при помощи механизма привода ротора во вращение с частотой, кратной частоте вращения коленчатого вала, по меньшей мере один статор и по меньшей мере один подвижный противовес, установленный на роторе с возможностью взаимодействия со статором.

В этом устройстве ротор закреплен на коленчатом валу и снабжен двумя кулачками для взаимодействия с противовесом, а статор снабжен направляющими для противовеса. Для обеспечения работоспособности такого устройства необходима повышенная точность изготовления его элементов, что трудно достижимо в условиях массового производства.

Общим для всех вышеуказанных известных устройств является то, что центр масс противовеса или противовесов при работе устройства совершает перемещение в плоскости, перпендикулярной оси ротора.

Таким образом, несмотря на известность большого количества разных устройств для уравновешивания поршневых машин до настоящего времени не создано достаточно простое устройство, обеспечивающее уравновешивание сил инерции второго и более высоких порядков и не требующее при этом внесения значительных изменений в существующие поршневые машины.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания достаточно простого устройства для как можно более полного уравновешивания сил инерции, преимущественно второго и более высоких порядков, не требующего внесения значительных изменений в существующие поршневые машины, преимущественно ДВС указанного типа. Основной целью изобретения является упрощение указанного устройства.

Эта задача решается и эта цель достигается тем, что устройство для уравновешивания поршневой машины по меньшей мере с одним кривошипно-шатунным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения по меньшей мере одного установленного в цилиндре поршня во вращательное движение коленчатого вала, и наоборот, содержащее по меньшей мере один ротор, установленный с возможностью вращения вокруг своей оси и связанный с коленчатым валом машины при помощи механизма привода ротора во вращение с частотой, кратной частоте вращения коленчатого вала, по меньшей мере один статор и по меньшей мере один подвижный противовес, установленный на роторе с возможностью взаимодействия со статором, согласно изобретению снабжено средством для возвратно-поступательного перемещения центра масс противовеса, а последний установлен с возможностью перемещения вдоль оси ротора.

Такое выполнение упрощает устройство благодаря малому числу входящих в него элементов и открывает дополнительные компоновочные возможности для его размещения на поршневой машине.

Средство для возвратно-поступательного перемещения центра масс противовеса может быть снабжено по меньшей мере одной первой направляющей, выполненной в роторе или статоре вдоль оси ротора, по меньшей мере одной выполненной соответственно в статоре или роторе второй извилистой замкнутой направляющей, расположенной вокруг оси ротора и по меньшей мере одним подвижным элементом, установленным с возможностью взаимодействия и перемещения вдоль первой и второй направляющих. Такое выполнение упрощает перемещение противовеса.

Целесообразно каждую направляющую выполнить в виде открытой канавки, а подвижный элемент установить частично в первой канавке и частично во второй канавке.

Целесообразно также первую канавку выполнить на наружной поверхности ротора, а вторую канавку выполнить на внутренней поверхности статора. Такое выполнение позволяет использовать центробежные силы для постоянного прижима подвижного элемента ко второй канавке.

Подвижный элемент целесообразно выполнить в виде тела вращения. Такое выполнение уменьшает потери на трение.

Тело качения оптимально выполнить в виде шарика. Такое выполнение обеспечивает наиболее простое его изготовление.

Профиль второй канавки целесообразно выполнить в виде кривой с возможностью касания с профилем шарика в двух точках и возможностью образования зазора с профилем шарика между точками их касания. Такое выполнение позволяет снизить требования к точности изготовления статора.

Средство для возвратно-поступательного перемещения центра масс противовеса может быть снабжено по меньшей мере двумя подвижными элементами, расположенными симметрично вокруг оси ротора, а вторая указанная направляющая может быть выполнена с числом извилин, равным или кратным числу подвижных элементов. Такое выполнение позволяет уравновесить радиальные усилия, действующие на ротор и статор, и уменьшить частоту вращения ротора.

При этом противовес может быть образован одним или несколькими подвижными элементами. Этим обеспечивается дальнейшее упрощение устройства.

Ось ротора целесообразно расположить параллельно направлению действия сил инерции, создаваемых поступательно перемещаемыми частями поршневой машины, связанными с ее поршнем или поршнями.

В устройстве для уравновешивания четырехцилиндровой однорядной поршневой машины с параллельными осями цилиндров и осями кривошипов, расположенными в одной плоскости, ось ротора целесообразно расположить параллельно осям цилиндров, а механизм привода ротора снабдить по меньшей мере одной угловой передачей. Такое выполнение позволяет оптимально разместить устройство.

При этом, если имеется свободное пространство, устройство можно выполнить с одним ротором и ось ротора расположить посередине между осями второго и третьего цилиндров машины.

Если один ротор в указанном месте разместить невозможно, устройство можно снабдить дополнительным ротором, причем оси роторов расположить в плоскости, проведенной параллельно осям цилиндров через линию, параллельную осям цилиндров и расположенную посередине между осями второго и третьего цилиндров.

При этом оси роторов можно расположить на равных расстояниях от указанной линии и подвижные элементы и вторые направляющие выполнить одинаковыми, или же оси роторов расположить на разных расстояниях от указанной линии и подвижные элементы и(или) вторые направляющие выполнить разными.

В устройстве для уравновешивания поршневой машины с (по меньшей мере) одним дополнительным валом, установленным параллельно коленчатому валу машины и связанным с ним при помощи механизма привода во вращение с частотой, кратной частоте вращения коленчатого вала машины, например кулачковым валом привода клапанов системы газораспределения, угловая передача механизма привода ротора во вращение может быть связана с дополнительным валом. Этим упрощается привод ротора.

В поршневой машине, у которой дополнительный вал расположен в головке цилиндров, ротор и статор могут быть установлены на головке цилиндров. Такое выполнение уменьшает объем изменений в существующей поршневой машине при установке на нее устройства для уравновешивания.

Таким образом, устройство согласно настоящему изобретению является достаточно простым и обеспечивает эффективное уравновешивание сил инерции.

На фиг. 1 показан вид на поршневую машину - однорядный четырехцилиндровый ДВС с описываемым устройством со стороны торца коленчатого вала, частичный разрез; на фиг.2 - узел I на фиг.1; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.1; на фиг. 4 - развертка направляющей статора, изображенного на фиг.1-3; на фиг.5 - вид на другой вариант поршневой машины со стороны торца коленчатого вала в частичном разрезе; на фиг.6 - вид по стрелке Б на фиг.5.

Как показано на фиг.1, поршневая машина - двигатель внутреннего сгорания 1 имеет картер 2 с одним рядом цилиндров 3, в которых с возможностью возвратно-поступательного движения установлены поршни 4. Двигатель 1 имеет четыре цилиндра 3 (на фиг.1 отдельно не обозначены). Оси 5 цилиндров параллельны и расположены в одной общей плоскости, обозначенной 5. В картере 2 двигателя 1 установлен коленчатый вал 6 с возможностью вращения вокруг оси 7. Плоскость 5 параллельна оси 7 или (как показано на фиг.1) проходит через ось 7. Коленчатый вал 6 имеет четыре кривошипа 8, оси которых (не обозначены) расположены в одной плоскости (не обозначена). Двигатель 1 имеет шатунно-кривошипные механизмы преобразования возвратно-поступательного движения поршней 4 во вращательное движение коленчатого вала 6 вокруг своей оси 7, и наоборот. Каждый такой механизм содержт шатун 9, один конец которого соединен с поршнем 4 при помощи поршневого пальца 10, а другой конец соединен с кривошипом 8 коленчатого вала 6.

Двигатель 1 имеет головку 11 цилиндров, в которой установлены клапаны 12 системы газораспределения (на фиг. 1 показан один клапан) и дополнительный вал - кулачковый вал 13 привода клапанов 12. Ось 14 кулачкового вала 13 параллельна оси 7 коленчатого вала 6. Кулачковый вал 13 связан с коленчатым валом 6 при помощи механизма 15 привода во вращение с частотой, кратной частоте вращения коленчатого вала 6 - цепной передачи или передачи с зубчатым ремнем, либо при помощи другой известной передачи, обеспечивающей вращение кулачкового вала 13 с частотой, вдвое меньшей частоты вращения коленчатого вала 6. На одном конце вала 13 закреплен ведомый элемент 16 передачи 15.

При работе такого двигателя поршни 4 и связанные с ними элементы создают силы инерци, направленные вдоль осей 5 цилиндров 3. Силы инерции первого порядка в таком двигателе уравновешены, а силы инерции второго и более высоких порядков не уравновешены.

Устройство для уравновешивания описанного двигателя, обеспечивающее уравновешивание сил инерции второго и более высоких порядков, содержит ротор 17, установленный с возможностью вращения вокруг оси 18, параллельной осям 5 цилиндров 3, на головке 11 цилиндров. Ротор 17 связан с коленчатым валом 6 при помощи механизма (не обозначен) привода ротора во вращение с частотой, кратной частоте вращения коленчатого вала 6. В состав этого механизма входят передача 15, кулачковый вал 13 и угловая передача 19, первый элемент 20 которой закреплен на кулачковом валу 13, а второй элемент 21 закреплен на роторе 17. Устройство для уравновешивания двигателя содержит также статор 22, неподвижно установленный на головке 11 цилиндров концентрично ротору 17, и подвижные элементы 23а, 23b, 23c, 23d, взаимодействующие с ротором 17 и статором 22. Подвижные элементы 23a-23d образуют противовес (отдельно не обозначен), установленный с возможностью перемещения вдоль оси 18 ротора.

Устройство для уравновешивания двигателя снабжено средством для возвратно-поступательного перемещения центра масс противовеса, образованного подвижными элементами 23а-23d, вдоль оси 18 при вращении ротора 17 относительно статора 22. Каждый подвижный элемент выполнен в виде тела вращения - шарика. Средство для перемещения центра масс противовеса образовано первыми направляющими 24а, 24b, 24c, 24d, выполненными в виде открытых канавок на наружной поверхности ротора 17 и проходящими вдоль оси 18, и второй извилистой направляющей 25, выполненной в виде открытой канавки на внутренней поверхности статора 22 и проходящей вокруг оси 18, причем каждый подвижный элемент 23а-23d установлен частично в соответствующей канавке 24a-24d и частично в канавке 25 с возможностью перемещения вдоль направляющих. Направляющие 24а-24d могут быть выполнены в статоре 22, а направляющая 25 - в роторе 17 (не показано на чертежах). Канавки 24а-24d с подвижными элементами 23а-23d расположены симметрично вокруг оси 18. Направляющая 25 выполнена с числом извилин, равным или кратным числу подвижных элементов 23а-23d - с четырьмя извилинами, как показано на фиг.4.

Профиль канавки 25 (фиг.2) выполнен в виде кривой, касающейся профиля шарика 23а-23d в двух точках 25а, 25d таким образом, что между профилями канавки и каждого шарика остается зазор 26.

В двигателе, показанном на фиг.1-4, ось 18 ротора 17 расположена в плоскости 5 посередине между осями второго и третьего цилиндров 3b, 3c (фиг. 3).

Показанная на фиг.5 и 6 поршневая машина - ДВС 1 имеет те же элементы 2-12, что и вышеописанная поршневая машина, показанная на фиг.1-4. В головке 11 цилиндров (фиг.5) установлено два дополнительных вала - кулачковые валы 13а, 13b привода клапанов 12. Оси 14а, 14b кулачковых валов 13а, 13b параллельны оси 7 коленчатого вала 6. Кулачковые валы 13а, 13b связаны с коленчатым валом 6 при помощи механизма 15 привода во вращение с частотой, вдвое меньшей частоты вращения коленчатого вала 6.

Устройство для уравновешивания этой поршневой машины содержит два ротора 17а, 17b, установленных на головке 11 цилиндров с возможностью вращения вокруг осей 18а, 18b, две угловые передачи 19а, 19b, у каждой из которых первый элемент 20а, 20b закреплен на валу соответственно 13а, 13b, а второй элемент 21а, 21b - на роторе 17а, 17b, два статора 22а, 22b, неподвижно установленных на головке 11 цилиндров концентрично роторам 17а, 17b, и подвижные элементы 23, взаимодействующие с роторами и статорами и образующие противовесы, установленные с возможностью перемещения вдоль осей 18а, 18b. Роторы, статоры и подвижные элементы этого устройства выполнены аналогично описанным выше с ссылками на фиг.1-4. Оси 18а, 18b роторов 17а, 17b расположены параллельно осям цилиндров в плоскости 27 (фиг.6), проведенной параллельно осям цилиндров через линию 28, расположенную посередине между осями 5b, 5c второго и третьего цилиндров 3b, 3c параллельно им. Как показано на фиг.6, оси 18а, 18b расположены на равных расстояниях от линии 28.

При этом подвижные элементы и извилистые направляющие статоров выполнены одинаковыми. Если по компоновочным соображениям оси 18а, 18b расположены на разных расстояниях от линии 28 (не показано), то подвижные элементы, взаимодействующие с разными роторами и статорами должны быть разными (должны иметь разные массы), или же извилистые направляющие разных статоров должны быть разными (должны иметь разную амплитуду вдоль осей роторов).

Описанное устройство работает следующим образом.

При вращении ротора 17 (роторов 17а, 17b) с частотой, кратной частоте вращения коленчатого вала 6 (вдвое меньшей частоты вращения коленчатого вала 6), происходит вращение подвижных элементов 23 (23а-23d) вместе с ротором (роторами) и их перемещение в извилистой направляющей статора (в извилистых направляющих статоров), в результате чего центр масс каждого противовеса, образованного подвижными элементами, перемещается возвратно-поступательно с частотой, вдвое большей, чем частота вращения коленчатого вала, так как направляющая каждого статора выполнена с четырьмя извилинами. Перемещение центра масс противовеса приводит к возникновению сил инерции, равных по величине и направленных противоположно силам инерции, создаваемым поступательно движущимися массами поршней и связанных с ними элементами поршневой машины, в результате чего происходит уравновешивание машины.

Описанное устройство наиболее эффективно может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Оно может быть использовано также в поршневых компрессорах и других поршневых машинах.