КОЛЕНЧАТЫЙ ВАЛ ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) И ДВИГАТЕЛЬ
ENGINE CRANKSHAFT (EMBODIMENTS) AND ENGINE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к коленчатому валу двигателя.
Известный уровень техники и краткое изложение сущности изобретения
Коленчатые валы используют в двигателях для передачи энергии вращательного движения на трансмиссию транспортного средства с целью сообщения колесам движущей силы. В двигателе предусматривают подшипники для поддержания коленчатого вала и обеспечения направленного вращения этого последнего. Если говорить конкретнее, между каждыми двумя следующими друг за другом шатунными шейками коленчатого вала предусматривают, как правило, опорные шейки, соединяемые с подшипниками. Однако поддерживающие коленчатый вал подшипники создают трение в процессе вращения, из-за чего снижается эффективность работы коленчатого вала. Как следствие этого, снижается кпд двигателя, что негативно сказывается на экономии топлива.
В патенте US 2014/0041618 раскрыта конструкция четырехцилиндрового двигателя с уменьшенным количеством коренных подшипников. Изобретатели обращают внимание на ряд недостатков конструкции коленчатого вала, описанного в патенте US 2014/0130561, применяя принятый подход к двигателю с меньшим количеством цилиндров. Так, например, при удалении коренных подшипников в двигателе с 3-мя цилиндрами может произойти увеличение изгиба коленчатого вала сверх требуемого уровня, что приведет к усилению вибраций в двигателе. Кроме того, в двигателях с нечетным числом цилиндров, и в частности, в трехцилиндровых двигателях, имеется четное число подшипников и соответствующих опорных шеек. Таким образом, если в коленчатом вале удалить по одному подшипнику и по одной опорной шейке, то система подшипников станет несимметричной в продольном направлении. Из-за несимметричного распределения подшипников и соответствующих опорных шеек произойдет чрезмерный изгиб в секциях, где отсутствует поддержка, что опять же приведет к усилению вибраций и уменьшению срока службы коленчатого вала и подшипников.
Итак, в соответствии с одним из подходов, предложен коленчатый вал двигателя. В этом коленчатом вале использованы только две наружных опорных шейки, предназначенных для крепления к двум наружным коренным подшипникам, только одна внутренняя опорная шейка, располагающаяся в осевом направлении между двумя наружными опорными шейками и предназначенная для крепления к внутреннему коренному подшипнику, неподдерживаемая секция, расположенная в осевом направлении между внутренней опорной шейкой и одной из наружных опорных шеек, и только три шатунных шейки, каждая из которых предназначена для крепления к отдельному шатуну. Благодаря выполнению коленчатого вала лишь с тремя опорными шейками и тремя шатунными шейками удается уменьшить трение коленчатого вала по сравнению с ранее использовавшимися коленчатыми валами в трехцилиндровых двигателях, где имеются по четыре опорных шейки и соответствующих коренных подшипника. В результате повышается экономия топлива. Кроме того, при использовании только трех опорных шеек достигается снижение стоимости двигателя благодаря удалению коренного подшипника и соответствующих деталей. К тому же возможно снижение массы двигателя в случае удаления из двигателя коренного подшипника с соответствующими деталями.
В соответствии с одним из примеров выполнения, неподдерживаемая секция и внутренняя опорная шейка сдвинуты относительно продольной средней линии коленчатого вала. Благодаря этому становится возможным поддержание нужного интервала между цилиндрами двигателя в случае удаления одной из опорных шеек.
В соответствии с другим примером выполнения, диаметр неподдерживаемой секции больше диаметра опорных шеек. В результате этого уменьшаются изгиб, деформация кручения и усталость коленчатого вала, благодаря чему обеспечиваются получение нужных параметров его вращения. Говоря конкретнее, благодаря большему диаметру неподдерживаемой секции увеличивается жесткость коленчатого вала в той зоне, которая может быть особенно подвержена изгибу.
В соответствии с еще одним примером выполнения, две из трех шатунных шеек расположены в осевом направлении между одной из наружных опорных шеек и единственной внутренней опорной шейкой, а еще одна из шатунных шеек расположена в осевом направлении между единственной внутренней опорной шейкой и другой наружной опорной шейкой.
Перечисленные выше и другие преимущества и признаки настоящего изобретения станут очевидными из нижеследующего детального описания, которое может рассматриваться как само по себе, так и совместно с приложенными чертежами.
Следует понимать, что в приведенном выше кратком изложении был всего лишь упрощенно высказан некий ряд принципов, которые будут рассмотрены более детально в подробном описании. Это краткое изложение не ставило целью выявить ключевые или существенные признаки заявленного объекта, объем которых определяется исключительно прилагаемыми пунктами формулы изобретения. Кроме того, заявленный объект не ограничивается вариантами осуществления, которые позволяют устранить какие-либо недостатки, отмеченные выше или в любой части настоящего описания. Отметим также, что, вышеперечисленные проблемы выявлены изобретателями в рамках данного описания и не могут быть признаны известными.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой схематическую иллюстрацию двигателя с коленчатым валом;
фиг. 2 иллюстрирует один из примеров выполнения коленчатого вала;
фиг. 3 иллюстрирует другой вариант выполнения коленчатого вала по фиг. 2 с демонстрацией углового разнесения между шатунными шейками в коленчатом вале;
фиг. 4 иллюстрирует один из режимов работы коленчатого вала.
Детальное описание
Ниже дается описание коленчатого вала, в котором использованы только три опорных шейки и три шатунных шейки. Имеется внутренняя опорная шейка, расположенная между двумя из опорных шеек, которая может быть сдвинута относительно продольной средней линии коленчатого вала, а сам этот вал может дополнительно иметь неподдерживаемую секцию, расположенную между внутренней опорной шатунной и наружной опорной шейкой.
Благодаря наличию неподдерживаемой секции удается, по сути дела, удалять подшипник из конструкции двигателя. В соответствии с одним из примеров, диаметр неподдерживаемой секции может превышать диаметры опорных шеек. Благодаря большему диаметру неподдерживаемой секции достигается увеличение конструктивной прочности секции, что позволяет уменьшить изгиб коленчатого вала в процессе вращения. Говоря конкретнее, благодаря большему диаметру неподдерживаемой секции достигается получение нужных характеристик коленчатого вала по изгибу, деформации кручения и усталости. Таким образом, при увеличении диаметра неподдерживаемой секции изгиб, деформация кручения и усталость коленчатого вала уменьшаются. Следует понимать, что при использовании коленчатого вала с указанными выше характеристиками происходит уменьшения трения в конструкции коленчатого вала, благодаря чему повышаются кпд двигателя и экономия топлива. Кроме того, при использовании в двигателе коленчатого вала с указанными характеристиками можно при необходимости уменьшить количество компонентов двигателя, вследствие чего снижаются затраты на его изготовление.
На фиг. 1 представлен один из примеров выполнения двигателя 10, входящего в состав транспортного средства 100. В соответствии с одним из примеров, двигатель 10 может образовывать собой силовую установку автомобиля. Управление двигателем 10 может осуществляться, по меньшей мере частично, с помощью системы управления, включающей в себя регулятор 12 работы двигателя, и с помощью входной команды от водителя 130, подаваемой через входное устройство 132. При использовании рассматриваемого варианта входное устройство 132 включает в себя педаль газа и датчик 134 положения педали для генерации пропорционального сигнала РР положения педали. Следует иметь в виду, что в памяти регулятора 12 работы двигателя могут храниться команды, выполняемые процессором.
Двигатель 10 может содержать ряд цилиндров 20. Этот двигатель может быть рассчитан на проведение операции сгорания по типу четырехтактного цикла сгорания в цилиндрах 20. Говоря конкретнее, в рассматриваемом здесь примере двигатель содержит три цилиндра. Цилиндры 20 размещены в соответствии с однорядной конфигурацией. Это означает, что имеет место прохождение плоскости через центральные оси 21 каждого из цилиндров. Имеется головка цилиндров 26, соединенная с блоком цилиндров 29 с формированием цилиндров 20. Части блока цилиндров 28 и резервуар 30 для масла образуют собой границы картера 32 двигателя, в который помещен коленчатый вал 34. В число цилиндров 20 входят размещенные последовательно один за другим первый цилиндр 50, второй цилиндр 52 и третий цилиндр 53. Таким образом, имеются два наружных цилиндра (50 и 53) и один внутренний цилиндр 52. Порядок работы цилиндров может быть таким: первый цилиндр 50, затем второй цилиндр 52 и, наконец третий цилиндр 53.
Предусмотрена система 36 впуска, обеспечивающая подачу всасываемого воздуха в цилиндры 20. С другой стороны, имеется система 38 выпуска, в которую из цилиндров 20 поступают выхлопные газы. В состав системы 36 впуска могу входить различные компоненты (не показаны) для нагнетания всасываемого воздуха с нужной интенсивностью в цилиндры - это, в частности, фильтр, дроссель, впускные трубопроводы, всасывающий коллектор, соединенные с цилиндрами впускные клапаны и пр. Система 38 выпуска также включает в себя различные компоненты (не показаны) для приема поступающих из двигателя выхлопных газов - это, в частности, выпускной коллектор, соединенные с цилиндрами выпускные клапаны, выпускные трубопроводы, устройства для снижения токсичности выхлопа (например, фильтрующие каталитические нейтрализаторы) и пр.
В каждом из цилиндров 20 располагается поршень 40. Имеются два наружных поршня 42 и один внутренний поршень 44. Поршни 40 соединены с коленчатым валом 34 через посредство шатунов, которые обозначены здесь стрелками 46. Имеются коренные подшипники 48, соединенные при вращении с коленчатым валом 34, что обеспечивает возможность поддержания этого коленчатого вала 34 и его направленного вращения. Следует иметь в виду, что в состав коренного подшипника 48 могут входить различные компоненты, обеспечивающие достижения вышеупомянутых функциональных характеристик, и в частности, внутренние кольца, наружные кольца, роликовые элементы и пр. Говоря конкретнее, предусмотрен один внутренний коренной подшипник 57, расположенный в осевом направлении между двумя наружными коренными подшипниками 55. Как показано, внутренний коренной подшипник 57 может быть сдвинут в осевом направлении относительно средней линии 54 коленчатого вала 34. Следует отметить, что средняя линия 54 представляет собой срединное местоположение между первым концом 56 коленчатого вала 34 и его вторым концом 58. Коренные подшипники 48 могут быть соединены с компонентами, находящимися в картере 32 двигателя.
Первый конец 56 коленчатого вала 34 может соединяться с каким-либо компонентом двигателя, примыкающим к передней крышке двигателя. С другой стороны, второй конец 58 коленчатого вала 34 может соединяться с маховиком 60 в трансмиссии 62 двигателя 10. Трансмиссия 62 включает в себя шестерни 66, соединенные с маховиком 60, - это показано стрелкой 68. Говоря конкретнее, коленчатый вал 34 может содержать согласующее устройство 64 для прикрепления этого коленчатого вала к маховику.
Кроме того, коленчатый вал 34 имеет шатунные шейки 70, соединенные с шатунами 46. В состав коленчатого вала 34 входят также опорные шейки 72. Форма и расположение опорных шеек 72 выбраны такими, чтобы они могли крепиться к коренным подшипникам 48. Говоря конкретнее, имеются две наружных опорных шейки и одна внутренняя опорная шейка коленчатого вала. Более детально опорные шейки будут описаны ниже при рассмотрении фиг. 2. У коленчатого вала имеется также неподдерживаемая секция 74, расположенная между двумя шатунными шейками 70. Эта неподдерживаемая секция 74 не имеет соединенного с ней коренного подшипника и, следовательно, не поддерживается непосредственно какими-либо внешними компонентами. Более детальное описание неподдерживаемой секции также будет дано при рассмотрении фиг. 2.
Следует иметь в виду, что коленчатый вал 34 и другие компоненты двигателя 10 показаны на фиг. 1 лишь схематически для облегчения понимания компоновки двигателя 10. Однако на деле коленчатый вал 34 и другие компоненты более сложны в геометрическом отношении и включают в себя ряд дополнительных элементов типа опорных шеек, шатунных шеек, противовесов и пр., которые буду детальнее описаны ниже.
На фиг. 2 приведен вид в аксонометрии, иллюстрирующий один из примеров выполнения коленчатого вала 200. Этот коленчатый вал 200 может представлять собой один из вариантов коленчатого вала 34, показанного на фиг. 1 и, соответственно, может быть включен в состав двигателя 10, который показан на той же фиг. 1. Как видно на фиг. 2, коленчатый вал 200 имеет три опорных шейки 202 и три шатунных шейки 204. Говоря конкретнее, в состав коленчатого вала 200 входят первая наружная опорная шейка 206, вторая наружная опорная шейка 208 и внутренняя опорная шейка 210. Внутренняя опорная шейка 210 расположена в осевом направлении между наружными опорными шейками 206 и 208. В качестве исходного ориентира на чертеже обозначена ось 209 вращения коленчатого вала. Внутренняя опорная шейка 210 сдвинута в осевом направлении относительно средней линии 212 коленчатого вала. Эта средняя линия 212 представляет собой срединное местоположение между первым концом 214 коленчатого вала его вторым концом 216. Как уже было сказано выше, первый конец 214 может соединяться с какой-либо частью двигателя, примыкающей к его передней крышке (не показана), тогда как второй конец 216 коленчатого вала 200 снабжен согласующим устройством 218, выполненным с возможностью прикрепления к маховику типа маховика 60, показанного на фиг. 1. Таким образом, один из концов коленчатого вала оказывается расположенным рядом с маховиком. В устройстве сопряжения с маховиком могут быть выполнены отверстия, рассчитанные таким образом, чтобы в них могли входить крепежные элементы типа болтов для соединения коленчатого вала с маховиком.
Предусмотрены также две наружных шатунных шейки 220 и одна внутренняя шатунная шейка 222, расположенная между двумя наружными шатунными шейками. Таким образом, всего имеется три шатунных шейки. В рассматриваемом примере коленчатый вал 200 имеет только 3 шатунных шейки. Каждая из шатунных шеек 220 и 222 может быть соединена (например, непосредственно) с шатуном типа шатунов 46 на фиг. 1. Эти шатуны соединены, в свою очередь, с находящимися в цилиндрах поршнями. Следует иметь в виду, что при вращении коленчатого вала шатунные шейки 220 и 222 обеспечивают направленное вращение шатунов, что позволяет поршням совершать возвратно-поступательное движение в цилиндрах.
Каждая из шатунных шеек 220 и 222 имеет по одному участку 224 для соединения с шатуном. В рассматриваемом примере эти участки 224 для соединения с шатуном имеют цилиндрическую форму. Кроме того, каждая из шатунных шеек включает в себя пару кронштейнов 226, соединенных с противоположными сторонами участков 224 для соединения с шатуном.
В состав коленчатого вала включены также противовесы 227, отходящие наружу от шатунных шеек 220 и 222. Эти противовесы 227 выполнены симметричными относительно, по меньшей мере, одной оси. Противовесы 227 обеспечивают уравновешивание шатунных шеек. Каждый из участков 224 для соединения с шатуном может располагаться между отдельными противовесами 227 пары 228 противовесов.
Коленчатый вал 200 содержит также две наружных опорных шейки 206 и 208. В соответствии с одним из вариантов, коленчатый вал 200 может иметь только две наружных опорных шейки. В соответствии с другим вариантом, коленчатый вал может иметь только одну внутреннюю опорную шейку. Каждая из опорных шеек 206, 208 и 210 выполнена с возможностью крепления к коренному подшипнику типа одного из коренных подшипников, показанных на фиг. 1. Как можно видеть, одна из наружных опорных шеек примыкает к устройству 218 для сопряжения с маховиком. В рассматриваемом примере внутренняя опорная шейка 210 сдвинута в осевом направлении относительно средней линии 212 коленчатого вала. Следует заметить, что средняя линия 212 представляет собой осевое срединное местоположение между первым концом 214 и вторым концом 216. Кроме того, обе наружных опорных шейки 206 и 208, а также внутренняя опорная шейка 210 располагается по одной линии с осью 209 вращения коленчатого вала 200.
В состав коленчатого вала 200 входит также неподдерживаемая секция 234, расположенная в осевом направлении между внутренней опорной шейкой 210 и наружной опорной шейкой 206. Следует иметь в виду, что неподдерживаемая секция 234 не соединена непосредственно ни с какой несущей конструкцией типа коренного подшипника. Таким образом, неподдерживаемая секция 224 тоже располагается на одной линии с осью. Говоря точнее, неподдерживаемая секция 224 выровнена с осью 209 вращения коленчатого вала 200. Кроме того, неподдерживаемая секция 224 имеет в рассматриваемом примере цилиндрическую форму. В более общем смысле неподдерживаемая секция может быть симметричной относительно какого-либо осевого поперечного сечения. Следует иметь в виду, что поперечное сечение перпендикулярно к оси 209 вращения коленчатого вала 200. Однако предусмотрена возможность и иных геометрических очертаний и/или положений неподдерживаемой секции. Кроме того, диаметр 236 неподдерживаемой секции 234 больше, чем диаметры 238 опорных шеек 206 и 208. Следует заметить, что опорные шейки 206 и 208 могут иметь, по существу, одинаковые размеры и геометрические формы. Кроме того, неподдерживаемая секция 234 сдвинута в осевом направлении относительно средней линии 212 коленчатого вала 200. Эта неподдерживаемая секция 234 расположена между кронштейном 240 одной из наружных шатунных шеек, 220, и кронштейном 244 внутренней шатунной шейки 222. Кронштейны 240 и 244 отходят в радиальном направлении наружу от оси вращения 209.
Коленчатый вал 200 содержит противовес 246, соединенный с одной из наружных шатунных шеек 220, и второй противовес 248, соединенный с внутренней шатунной шейкой 222. Неподдерживаемая секция 234 расположена в осевом направлении (например, продольно) между противовесами 246 и 248. Таким образом, эта неподдерживаемая секция 234 соединена с противовесом 246 на первой стороне 250 и с противовесом 248 - на второй стороне 252. Кроме того, коленчатый вал может быть изготовлен из металла, в частности, сплава, и выполнен путем литья, ковки, фрезерования и пр. с получением сплошной формы. В соответствии с одним из примеров, неподдерживаемая секция 234 может быть литой или кованой.
Укажем также, что две из трех шатунных шеек 260 расположены в осевом направлении между одной из наружных опорных шеек, 206 и единственной внутренней опорной шейкой 210, а третья шатунная шейка, 262, расположена в осевом направлении между единственной внутренней опорной шейкой 210 и второй наружной опорной шейкой 208. В соответствии с одним из вариантов, осевая ширина кронштейнов 226, соединенных с участками 224 для соединения с шатуном и примыкающих к неподдерживаемой секции 234, может быть увеличена с целью повышения жесткости коленчатого вала. Таким образом, в соответствии с одним из примеров, осевая ширина кронштейнов, примыкающих к неподдерживаемой секции, может превышать осевую ширину кронштейнов, отстоящих от неподдерживаемой секции.
На фиг. 3 иллюстрируется угловое разнесение между шатунными шейками 220 и 222 в коленчатом вале 200. На этой фиг. 3 коленчатый вал 200 показан на виде с его первого конца 214. Хотя компоненты, представленные на фиг. 3, обозначены прямыми линиями с круглыми телами, что позволяет лучше понять относительное положение шатунных шеек, коленчатый вал имеет, как видно на фиг. 2, более сложные геометрические очертания.
Если продолжить рассмотрение фиг. 3, то видно, что угловое разнесение между одной из наружных шатунных шеек, 220, и внутренней шатунной шейкой 222 обозначено позицией 300, а угловое разнесение между второй наружной шатунной шейкой 220 и внутренней шатунной шейкой 222 обозначено позицией 302. Кроме того, позицией 304 обозначено угловое разнесение между наружными шейками 220. В рассматриваемом здесь примере каждое из угловых разнесений 300, 302 и 304 составляет 120 градусов.
Следует иметь в виду, что для каждой из шатунных шеек 220 и 222 предусмотрено разное угловое положение относительно оси 209 вращения коленчатого вала 200. Соответственно, каждый из показанных на фиг. 2 противовесов 228 отходит от соответствующей шатунной шейки с разным угловым положением относительно оси вращения 209.
На фиг. 4 иллюстрируется один из режимов 400 работы коленчатого вала. Этот режим 400 может быть реализован с использованием коленчатого вала и трансмиссии, описанных выше при рассмотрении фиг. 1-3 или с помощью какой-либо другой подходящей системы «коленчатый вал/трансмиссия».
Как изложено в рамке 402, этот режим предусматривает приведение во вращение коленчатого вала, содержащего только две наружных опорных шейки, предназначенных для крепления к двум наружным коренным подшипникам, только одну внутреннюю опорную шейку, расположенную в осевом направлении между двумя наружными опорными шейками и предназначенную для крепления к внутреннему коренному подшипнику, неподдерживаемую секцию, расположенную в осевом направлении между внутренней опорной шейкой и одной из наружных опорных шеек; и только три шатунных шейки, каждая из которых предназначена для крепления к отдельному шатуну.
Следует отметить, что применяемые здесь типовые управляющие и оценочные программы могут использоваться применительно к разным конфигурациям двигателя и/или транспортной системы. Рассматриваемые здесь управляющие режимы и команды могут храниться в качестве исполнимых команд в постоянном ЗУ и осуществляться с помощью управляющей системы, включающей в себя контроллер в сочетании с разнообразными датчиками, исполнительными механизмами и прочим оборудованием двигателя. Описываемые здесь конкретные программы могут относиться к одной или большему числу методик обработки, таких как управляемые событиями, управляемые прерыванием, многозадачные, многопотоковые и пр. По существу, можно выполнять различные действия, операции и/или функции в продемонстрированной здесь последовательности, впараллель или же, в ряде случаев, пропускать их. С другой стороны, определенный порядок обработки не обязательно требуется для достижения характеристик и преимуществ описываемых здесь типовых вариантов осуществления, а лишь предусматривается для лучшей иллюстрации и понимания изложенного. Возможно повторное выполнение одного или большего количества иллюстрируемых здесь действий, операций и/или функций, в зависимости от конкретной принятой стратегии. Кроме того, описываемые здесь действия, операции и/или функции могут графически характеризовать код, подлежащий программированию в постоянном ЗУ машиночитаемого носителя управляющей системы двигателя, где описываемые действия осуществляются посредством выполнения команд в системе, включающей в себя различные компоненты оборудования двигателя в комбинации с контроллером.
Следует иметь в виду, что описываемые здесь конфигурации и программы являются по самой своей природе лишь иллюстративными, так что эти конкретные варианты осуществления не следует рассматривать как единственно возможные, поскольку можно предусмотреть их самые разнообразные модификации. Так, например, описанная выше технология применима и к таким типам двигателей, как V-6, I-4, I-6, V-12, оппозитный четырехцилиндровый и др. Предмет настоящего изобретения охватывает все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и конфигураций, а также иных описываемых здесь характеристик, функций и/или свойств.
В нижеследующей формуле изобретения заявлены некоторые комбинации и подкомбинации, рассматриваемые как новые и неочевидные. Эта формула может относиться либо к «какому-либо» элементу, либо к «первому» элементу, либо к их эквивалентам. Эту формулу следует понимать как включающую в себя объединение одного или большего количества таких элементов без требования наличия или исключения возможности наличия двух или большего количества таких элементов. Предусмотрена возможность заявить иные комбинации и подкомбинации описанных здесь характеристик, функций, элементов и/или свойств путем изменения данной формулы или представления новой формулы в настоящей или родственной заявке. Подобная формула изобретения, будь ее объем шире, уже, одинаковым или иным по сравнению с объемом первоначальной формулы, будет также считаться относящейся к предмету настоящего изобретения.