УНИВЕРСАЛЬНЫЙ УРАВНОВЕШИВАЮЩИЙ МЕХАНИЗМ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СПОСОБ УРАВНОВЕШИВАНИЯ СИЛ ИНЕРЦИИ И МОМЕНТОВ СИЛ ИНЕРЦИИ
UNIVERSAL ICE BALANCING MECHANISM AND METHOD OF EQUALISING INERTIAL FORCES AND THEIR MOMENTS

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания, преимущественно транспортного назначения, а также другим поршневым машинам, а конкретно - противовесам и уравновешивающим механизмам.
Известны уравновешивающие механизмы, которые в основном состоят из: приводимого звена (шестерни, шкива, звездочки и пр.), приводящих в движение элементов (ремня, цепи, зубчатого колеса, и пр.), передающих усилие от коленчатого вала на уравновешивающий механизм (Дизели: Справочник. - Л.: Машиностроение, 1977. - 470 с.; Патент 2097571 (Россия), 27 ноября 1997 год. Производственное объединение "Барнаульский завод транспортного машиностроения". Поршневой двигатель / Дурманов Б.А., Больжатова З.А., Кухарев Н.Е. (Россия); Патент 4926810 США, 22 мая 1990 год. Ford Motor Company. Engine vibration balancer / Roy E. Diehl, Alvin H. Barger (США); Патент 5218885 США. 15 июня 1993 год. Honda Giken Kogyo Kabashiki Kaisha. Engine balancer and improvements thereof / Shinichi Nakano, Hiroyuki Kawakubo, Toshio Shimada, Hiroshi Wakoh; Патент 5893346 США, 13 апреля 1999. Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha. Engine balancer shaft / Takahisa Hosoya (Япония); Патент 6189499 США, 20 февраля 2001. Honda Giken Kogyo Kabashiki Kaisha. Balancing device for reciprocating engine / Kazuyuki Iwata, Tomonori Niizato (Япония); Патент 6959682 США, 1 ноября 2005. General Motors Corporation. Engine balancer with chain drive vibration isolation / Thomas Alan Slopsema, Jonh Meade Beardmore (США); Патент 7637240 США, 29 декабря 2009. Hitachi, Ltd. Engine balancer / Ryoji Onigata (Япония))
Такие уравновешивающие механизмы обеспечивают уравновешивание сил инерции или моментов сил инерции только одного вида конструкций двигателя. Однако они обладают недостатками, связанными с увеличением габаритных показателей двигателя, приводом от коленчатого вала, необходимостью подбора разных видов уравновешивающих устройств в зависимости от конструкции.
Наиболее близким к предлагаемому уравновешивающему механизму является решение, описанное в патенте (Патент 2097571 (Россия), 27 ноября 1997 год. Производственное объединение "Барнаульский завод транспортного машиностроения". Поршневой двигатель / Дурманов Б.А., Больжатова З.А., Кухарев Н.Е. (Россия)) (Прототип).
Уравновешивающий механизм содержит остов, поршни, шатуны, связанные с коленчатым валом, два противовеса.
Недостатком такой конструкции является привод от коленчатого вала, относительно невысокая эффективность, связанная с невозможностью учета отклонения реальной массы деталей от расчетной, обусловленная технологическими допусками, возможность уравновешивания только рядного двухцилиндрового двигателя.
Задачей данного изобретения является создание уравновешивающего механизма, обеспечивающего полную уравновешенность любой конструкции двигателя, с автономным (не от коленчатого вала) приводом и с возможностью уравновешивания с учетом технологических отклонений на допуски.
Указанная задача достигается тем, что универсальный уравновешивающий механизм двигателей внутреннего сгорания, содержащий остов, поршни, размещенные в остове, шатуны, соединяющие поршни с коленчатым валом, коленчатый вал, кинематически соединенный с двумя противовесами, содержит съемный корпус противовесов с размещенным в нем вентильным электродвигателем, ротор которого через муфту связан с противовесом, а противовес кинематически связан со вторым противовесом, причем механизм дополнительно оснащен электронной системой управления, содержащей блок управления, который электрически связан с датчиком положения коленчатого вала, датчиком угла поворота коленчатого вала, датчиком нагрузки двигателя и вентильным электродвигателем.
Требованиям новизны в предлагаемом универсальном уравновешивающем механизме двигателей внутреннего сгорания соответствует то, что он содержит съемный корпус противовесов с размещенным в нем вентильным электродвигателем, ротор которого через муфту связан с противовесом, а противовес кинематически связан со вторым противовесом, причем механизм дополнительно оснащен электронной системой управления, содержащей блок управления, который электрически связан с датчиком положения коленчатого вала, датчиком угла поворота коленчатого вала, датчиком нагрузки двигателя и вентильным электродвигателем.
Существенность отличий заявленного устройства от прототипа заключается в следующем: дополнительное оснащение вентильным электродвигателем, ротор которого через муфту связан с противовесом, а противовес кинематически связан со вторым противовесом, и оснащение электронной системой управления, содержащей блок управления, который электрически связан с датчиком положения коленчатого вала, датчиком угла поворота коленчатого вала, датчиком нагрузки двигателя и вентильным электродвигателем.
Благодаря наличию электронной системы управления можно обеспечивать уравновешивание любых конструкций, поскольку нет необходимости проектировать новое уравновешивающее устройство на новую конструкцию двигателя, а использовать универсальный уравновешивающий механизм, изменив алгоритм управления электродвигателем и массу противовесов, а благодаря наличию датчика нагрузки двигателя появляется возможность уравновешивания с учетом отклонений на технологические допуски. Также, поскольку дополнительно содержится съемный корпус противовесов с размещенным в нем вентильным электродвигателем, можно производить уравновешивание уже существующих конструкций двигателей, не меняя при этом конструкцию серийно выпускаемого остова двигателя, жестко закрепив съемный корпус противовесов к уже имеющейся конструкции остова.
Сама конструкция уравновешивающего механизма позволяет производить уравновешивание любой конструкции двигателя, осуществлять привод не от коленчатого вала, производить уравновешивание с учетом отклонений от реальной массы деталей на технологические допуски, возможностью варьирования частотой вращения ротора электродвигателя во время его работы, возможностью установки уравновешивающего механизма к уже существующей конструкции остова, не меняя ее, снижение металлоемкости и стоимости уравновешивающего механизма.
На фиг.1 представлена функциональная схема универсального уравновешивающего механизма.
Универсальный механизм уравновешивания состоит из следующих элементов. В остове 1 размещены поршни 2, кинематически связанные с шатунами 3, которые кинематически связанны с коленчатым валом 4. Съемный корпус противовесов 5 жестко связан с остовом 1. В съемном корпусе противовесов 5 размещен вентильный электродвигатель 6, ротор 7 которого связан через муфту 8 с противовесом 9, который кинематически связан с вторым противовесом 10. Вентильный электродвигатель 6 электрически связан с блоком управления 11. Блок управления 11 электрически связан с датчиком положения 12 коленчатого вала 4, датчиком угла поворота13 коленчатого вала 4 и датчиком нагрузки 14 двигателя.
Универсальный уравновешивающий механизм работает следующим образом. Поршень 2, двигаясь с ускорением, передает усилие через шатун 3 на коленчатый вал 4, который совершает вращательное движение. При повороте коленчатого вала 4 сигналы с датчика положения 12 коленчатого вала 4, датчика угла поворота 13 коленчатого вала 4 и датчика нагрузки 14 двигателя поступают на блок управления 11. Блок управления 11 передает управляющий сигнал на вентильный электродвигатель 6, ротор 7 которого вращается. Ротор 7 через муфту 8 вращает противовес 9, который через кинематическую связь вращает второй противовес 10.
Таким образом, с помощью предлагаемого универсального уравновешивающего механизма можно обеспечить полную уравновешенность любой конструкции двигателя, при этом не меняя ее, что позволяет обеспечить низкий уровень виброакустической активности, снизить нагрузки на амортизаторы и остов двигателя, улучшить комфортабельность, уменьшить вероятность износа деталей, снизить массу уравновешивающего механизма и двигателя в целом, за счет того, что не требуется введение дополнительных устройств (зубчатых, ременных, цепных передач и др.) привода механизма уравновешивания от коленчатого вала.
Способ уравновешивания сил инерции и моментов сил инерции относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания, преимущественно транспортного назначения, а также другим поршневым машинам, а конкретно - противовесам и уравновешивающим механизмам.
Известен способ уравновешивания сил инерции или моментов сил инерции, при котором производится уравновешивание гармонических составляющих силы инерции или моментов сил инерции (первый порядок, второй порядок и т.д.), отдельным уравновешивающим устройством на соответствующий ему гармонический порядок. (Яманин А. И., Жаров А.В. Динамика поршневых двигателей. - М.: Машиностроение, 2003. - 468 с.)
Такой способ уравновешивания обеспечивает уравновешенность по одной из гармонических составляющих силы инерции или моментов сил инерции с применением отдельного уравновешивающего устройства на каждую составляющую силы инерции или момента силы инерции. Однако он обладает недостатками, связанными с увеличением массы двигателя при уравновешивании гармонических составляющих отдельными механизмами. Обычно ограничиваются уравновешиванием первого и второго порядка, хотя к нежелательным последствиям могут приводить и более высокие порядки. Для повышения уровня эффективности уравновешивания и возможности отказа от уравновешивания отдельных гармонических составляющих сил инерции или моментов сил инерции, а соответственно, и введения дополнительных уравновешивающих устройств на каждую гармоническую составляющую необходимо производить уравновешивание суммы всех гармонических составляющих сил инерции или моментов сил инерции парой противовесов.
Наиболее близким к предлагаемому способу уравновешивания является решение, описанное в патенте (Патент 2097571 (Россия), 27 ноября 1997 год. Производственное объединение "Барнаульский завод транспортного машиностроения". Поршневой двигатель / Дурманов Б.А., Больжатова З.А., Кухарев Н.Е. (Россия)) (Прототип).
Способ уравновешивания сил инерции или моментов сил инерции осуществляется двумя противовесами уравновешивающего механизма, полностью уравновешивающими силы инерции первого порядка.
Недостатком такого способа уравновешивания является необходимость вводить отдельное уравновешивающее устройство на соответствующую ему гармоническую составляющую, вследствие чего увеличивается масса и стоимость уравновешивающего механизма и двигателя в целом, а также снижается эффективность уравновешивания, возрастет уровень вибракустической активности двигателя, снижается комфортабельность.
Задачей данного способа уравновешивания является уравновешивание, при котором сумма гармонических составляющих сил инерции или моментов сил инерции осуществляется парой противовесов, т.е. возможность отказа от введения отдельного уравновешивающего устройства на каждую гармоническую составляющую соответственно.
Указанная задача достигается тем, что способ уравновешивания сил инерции или моментов сил инерции, осуществляемый двумя противовесами уравновешивающего механизма, полностью уравновешивающими силы инерции первого порядка, обеспечивает уравновешивание суммы всех гармонических составляющих сил инерции или моментов сил инерции, производится парой противовесов универсального уравновешивающего механизма двигателей внутреннего сгорания.
Новым в предлагаемом способе уравновешивания сил инерции и моментов сил инерции является то, что уравновешивание суммы всех гармонических составляющих сил инерции или моментов сил инерции производится парой противовесов универсального уравновешивающего механизма двигателей внутреннего сгорания.
Существенность отличий заявленного способа от прототипа заключается в следующем. Уравновешивание суммы всех гармонических составляющих сил инерции или моментов сил инерции производится парой противовесов универсального уравновешивающего механизма двигателей внутреннего сгорания.
Благодаря наличию в составе универсального механизма уравновешивания двигателей внутреннего сгорания электронной системы управления и вентильного электродвигателя, ротор которого через муфту связан с противовесом, а противовес кинематически связан со вторым противовесом, причем ротор может дискретно изменять частоту вращения, обеспечивая то, что противовесы могут полностью повторить любой закон изменения суммы всех гармонических составляющих сил инерции или моментов сил инерции, вследствие чего достигается полная уравновешенность двигателя.
Таким образом, с помощью предлагаемого способа уравновешивания сил инерции и моментов сил инерции можно обеспечить полную уравновешенность двигателя парой противовесов, что позволяет снизить массу и стоимость уравновешивающего механизма и двигателя в целом, за счет того что не требуется введение отдельного уравновешивающего устройства на соответствующую ему гармоническую составляющую.