ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С МАЯТНИКОВЫМ УСТРОЙСТВОМ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к двигателю внутреннего сгорания с маятниковым гасителем.
Уровень техники
В последнее время при конструировании и проектировании автомобилей и двигателей внутреннего сгорания особое внимание уделяется вибрациям. Среди прочего, производятся попытки снизить шумы, создаваемые двигателем внутреннего сгорания. Данные разработки также обусловлены тем, что на решение потребителя о приобретении автомобиля влияет уровень шума двигателя или автомобиля, поскольку данный показатель влияет на уровень комфорта. Особое значение для акустической комфортабельности езды имеет передача корпусного шума на кузов от подвески двигателя.
Рассмотрим явление вибрации более подробно на примере кривошипного механизма или коленчатого вала.
Коленчатый вал вместе с соединенными с ним частями двигателя образует колебательную систему. При этом коленчатый вал под воздействием изменяющихся со временем вращающих усилий, передаваемых на коленчатый вал через шатуны, соединенные с отдельными шатунными шейками, начинает совершать крутильные колебания. Крутильные колебания коленчатого вала приводят при этом к возникновению шума из-за излучения корпусного шума и к передачи его на кузов и на двигатель внутреннего сгорания. При возбуждении собственных колебаний коленчатого вала могут возникать крутильные колебания большой амплитуды, которые даже могут привести к усталостному излому. Это свидетельствует о том, что вибрации имеют большое значение с точки зрения прочности конструктивных элементов.
Крутильные колебания коленчатого вала приводят к колебаниям частоты вращения двигателя внутреннего сгорания и передаются через привод распределительного вала на распределительный вал, при этом сам распределительный вал также является колебательной системой и может передавать вибрацию на другие системы, в частности на клапанный механизм. Также возможна передача вибрации на другие вспомогательные агрегаты через приводимый коленчатым валом фрикционный привод. Кроме того, колебания коленчатого вала передаются на трансмиссию, через которую они передаются на коробку передач и приводные валы до шин автомобиля.
Для уменьшения флуктуаций частоты вращения массу колебательной системы увеличивают за счет размещения на коленчатом валу маховика. В результате увеличения массы система становится более инертной, а вращение коленчатого вала становится ровнее.
Если маховик, обычно прикрепленный одной стороной к коленчатому валу, а другой стороной через муфту сцепления к коробке передач, выполнен в форме двухсекционного маховика, то он дополнительно выполняет функцию гасителя вибраций, который уменьшает крутильные колебания между сцеплением и приводом.
Для гашения крутильных колебаний коленчатого вала и трансмиссии может использоваться гаситель крутильных колебаний. В результате движения массы гасителя колебаний относительно коленчатого вала часть энергии крутильных колебаний уходит на работу трения.
Все чаще в качестве гасителя крутильных колебаний используют так называемые центробежные маятниковые устройства, маятниковые массы которых расположены вне силового потока и которые при возбуждении двигаются против возбуждающих колебаний, таким образом, приводя к их гашению. В традиционных гасителях вибраций или демпферах данный эффект проявляется только при определенной частоте, а именно, при резонансной частоте демпфера. В центробежных маятниковых гасителях, в которых стабилизирующая сила в первую очередь определяется действующими на маятниковые массы центробежными силами, наоборот, гасители вибрации приспосабливаются к частоте вращения, и их собственная частота изменяется с частотой вращения, поскольку центробежные силы зависят от частоты вращения. Таким образом, с помощью центробежного маятникового гасителя становится возможным поглощение возбуждения конкретного рода, а не только гашение конкретной частоты. Это имеет свои преимущества, в частности, в двигателях внутреннего сгорания, в которых центробежный маятниковый гаситель может приспосабливаться к возбуждению любого порядка и полностью гасить их.
В публикации патентной заявки DE 102006028556 A1 от 18.01.2007, которая может быть выбрана в качестве ближайшего аналога полезной модели, описан подобный центробежный маятниковый гаситель, расположенный и действующий в трансмиссии автомобиля, и используемый для гашения и/или демпфирования крутильных колебаний в трансмиссии. Маятниковый гаситель, описанный в DE 102006028556 A1, имеет одну вращающуюся вокруг оси вращения маятниковую опору и по крайней мере одну пару маятниковых масс, которые подвижно расположены друг напротив друга на маятниковой опоре на некотором расстоянии от оси вращения. Маятниковые массы подвижно (т.е. кинематически) соединены с маятниковой опорой и имеют при этом дугоообразные отверстия, в которых передвигаются опорные ролики маятниковой опоры. Эти дугообразные отверстия образуют направляющие для опорных роликов и задают движение маятниковых масс.
На Фиг. 1, 2 и 3 схематически показано центробежное маятниковое устройство в соответствии с документом DE 102006028556 A1, при этом на Фиг. 1 маятниковый гаситель показан в так называемом исходном (нулевом) состоянии, на Фиг. 2 он показан в рабочем положении, а на Фиг. 3 - в положении при стоящем автомобиле, т.е. при неработающем двигателе внутреннего сгорания.
Показанный центробежный маятниковый гаситель 21 содержит одну вращающуюся вокруг оси вращения 22 маятниковую опору 23 и две подвижно расположенные на маятниковой опоре 23 маятниковые массы 24a, 24b, образующие пару 24 маятниковых масс. Маятниковые массы 24a, 24b, имеют дугообразные отверстия 26a, 26b, расположены друг напротив друга на некотором расстоянии от оси вращения 22, и подвергаются принудительному кинематическому воздействию с помощью роликовых штифтов 25a, 25b маятниковой опоры 23, входящих в отверстия 26a, 26b. При этом в контексте настоящего описания маятниковые массы 24a, 24b с Фиг. 2 также можно рассматривать как расположенные друг напротив друга и как расположенные на некотором расстоянии от оси вращения 22, так как их центры тяжести находятся на некотором расстоянии от оси 22 вращения. Дугообразные отверстия 26a, 26b образуют направляющие 26a, 26b для роликовых штифтов 25a, 25b и задают, таким образом, направление движения маятниковых масс 24a, 24b.
При неработающем двигателе внутреннего сгорания, при стоящем автомобиле и при неподвижной маятниковой опоре маятниковые массы 24a, 24b могут устанавливаться в положение, изображенное на Фиг. 3, создавая, таким образом, неуравновешенное состояние (несбалансированные массы). Подобная ситуация представляет собой проблему, особенно когда маятниковая опора 23 снова начинает вращаться, например, при запуске двигателя, т.е. при начале крутящего движения, когда маятниковые массы 24a, 24b должны сначала стабилизироваться в рабочее положение, показанное на Фиг. 2. В результате этого возникает повышенный шум, связанный с высокой нагрузкой на опору маятниковых масс, в частности на роликовые штифты.
Необходимо учитывать, что, с учетом современных концепций старт-стопного движения автомобиля, увеличивается количество запусков или перезапусков двигателя, когда двигатель отключается вместо работы на холостом ходу при отсутствии потребности в мощности в конкретный момент, что позволяет снизить расход топлива. На практике это значит, что, по крайней мере, при простое автомобиля двигатель будет выключен. Примером такого режима езды с частыми остановками является дорожное движение, например, в пробках на автобанах и шоссе. При движении по городу из-за несогласованной работы светофоров использование старт-стопного режима является, скорее, не исключением, а правилом. К другим вариантам его использования относятся железнодорожные переезды и т.п. Все это приводит к увеличению количества запусков.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом полезной модели является увеличение надежности работы, прочности конструкции и срока службы центробежного маятникового гасителя, а также снижение стоимости его изготовления и установки. Кроме того, обеспечивается стабилизация маятникового гасителя при использовании в старт-стопном режиме.
Данный эффект достигается с помощью двигателя внутреннего сгорания с маятниковым гасителем, имеющим по крайней мере одну маятниковую опору, установленную с возможностью вращения вокруг оси вращения, и по крайней мере одну пару маятниковых масс, подвижно установленных на маятниковой опоре друг напротив друга и на расстоянии от оси вращения, в котором маятниковые массы соединены друг с другом с помощью по крайней мере двух подвижных соединительных элементов, расположенных с обеих сторон от оси вращения на расстоянии от нее, причем каждый соединительный элемент прикреплен с возможностью поворота к каждой из двух маятниковых масс для их соединения друг с другом, а также к маятниковой опоре.
Предложенный вариант конструкции маятникового гасителя приводит к тому, что даже при неработающем двигателе или при неподвижной маятниковой опоре маятниковые массы не могут создавать неуравновешенное состояние (несбалансированные массы), принимая соответствующее положение. Вместе с этим устраняются имеющиеся в уровне техники проблемы, которые вызваны тем, что, когда находящаяся в покое маятниковая опора снова начинает вращаться, например, при запуске двигателя, маятниковые массы сначала должны перейти из неуравновешенное состояния в рабочее положение.
В соответствии с изобретением две маятниковые массы, образующие пару, соединены друг с другом с помощью соединительных элементов. Соединительные элементы обеспечивают кинематическое соединение обеих маятниковых масс и их совместное движение, а когда одна из маятниковых масс принимает положение, отличное от исходного состояния, другая маятниковая масса принимает положение,компенсирующее неуравновешенное состояние. Движения, выполняемые одной из маятниковых масс, не являются независимыми от движения другой маятниковой массы, а находятся в постоянном взаимодействии.
Сами соединительные элементы подвижно расположены с обеих сторон от оси вращения на некотором расстоянии от нее и установлены с возможностью поворота на маятниковой опоре. В результате этого соединительные элементы создают не только соединение маятниковых масс друг с другом, но и направляют маятниковые массы на маятниковой опоре вдоль заданных криволинейных траекторий движения. Дополнительное принудительное управление, известное из уровня техники, например, с помощью отверстий в маятниковых массах и расположенных на маятниковой опоре роликовых штифтов, не требуется.
В отличие от центробежных маятниковых гасителей, известных из уровня техники, которые характеризуются очень сложным кинематически перегруженным принудительным направлением маятниковых масс, предложенная конструкция маятникового гасителя отличается простотой и малым количеством конструктивных элементов. Простая структура устройства существенно уменьшает производственные расходы.
Небольшое количество компонентов уменьшает расходы на производство, время сборки и стоимость монтажа маятникового гасителя. Кроме того, уменьшается количество дефектов сборки. Восприимчивость маятникового гасителя к неисправностям уменьшается, в результате чего увеличиваются надежность работы, прочность конструкции и срок службы.
Каждый соединительный элемент может иметь форму планки, что позволяет обеспечить гибкое соединение маятниковых масс при использовании незначительного количества материала.
Каждый соединительный элемент может быть прикреплен к маятниковой опоре в своем центре, что позволяет обеспечить симметричное соединение двух образующих пару маятниковых масс и аналогичное соотношение сил в гибких соединениях с маятниковыми массами.
Крепление соединительных элементов к маятниковой опоре может быть выполнено с помощью штоков на маятниковой опоре, вставляемых в соответствующие отверстия на соединительных элементах. С помощью штока и отверстия создается необходимое гибкое соединение соединительного элемента с маятниковой опорой аналогично подшипнику скольжения при использовании минимального количества компонентов. Кроме того, шток может быть изготовлен в виде единой детали с маятниковой опорой в рамках одного рабочего процесса.
В качестве альтернативы, шток может быть выполнен на соединительном элементе, а отверстие - на маятниковой опоре. В этом случае опора может также содержать такие промежуточные элементы, как вкладыши или подшипники качения.
Каждая маятниковая масса может иметь серповидную форму, которая, с одной стороны, обеспечивает то, что большая часть маятниковой массы будет находиться на максимальном расстоянии от оси вращения, и, с другой стороны, то, что концы обеих маятниковых масс будут расположены друг напротив друга, что упрощает их соединение с помощью соединительных элементов.
Крепления соединительных элементов к маятниковым массам могут быть выполнены с помощью цапф на маятниковых массах, вставляемых в соответствующие отверстия на соединительных элементах. При этом все сказанное в отношении крепления соединительного элемента к маятниковой опоре аналогичным образом распространяется на крепление соединительного элемента к маятниковой массе с теми же преимуществами.
В качестве альтернативы, цапфой может быть оснащен соединительный элемент, а маятниковая масса может иметь соответствующие отверстия. В этом случае также возможно использование промежуточных элементов, описанных выше.
Предпочтительно, чтобы две образующие пару маятниковые массы были соединены друг с другом на своих концах только посредством соединительных элементов (5′, 5″). Исключение дополнительного принудительного управления маятниковыми массами на маятниковой опоре, к примеру, с помощью отверстий или опорных роликов, известных из уровня техники, существенно упрощает маятниковый гаситель. Простая структура устройства уменьшает количество конструктивных элементов и расходы на производство.
Если для опоры соединительного элемента используется шток и/или цапфа, то в предпочтительных вариантах цапфа маятниковой массы и/или шток по крайней мере одной маятниковой опоры имеет какое-либо покрытие.
Если для крепления соединительного элемента используется шток и/или цапфа, то в предпочтительных вариантах цапфа маятниковой массы и/или шток по крайней мере одной маятниковой опоры имеет обработанную поверхность.
Если для крепления соединительного элемента используется шток и/или цапфа, то в предпочтительных вариантах сообщающееся со штоком отверстие соединительного элемента и/или сообщающееся с цапфой отверстие соединительного элемента имеет какое-либо покрытие.
Если для крепления соединительного элемента используется шток и/или цапфа, то в предпочтительных вариантах сообщающееся со штоком отверстие соединительного элемента и/или сообщающееся с цапфой отверстие соединительного элемента имеет обработанную поверхность.
Покрытие или обработка поверхности штока, цапфы и/или отверстия в соответствии с вышеприведенными вариантами осуществления может быть направлено на регулировку коэффициента трения в опоре. Следовательно, может быть обеспечено согласование маятникового гасителя с задаваемым порядком возбуждения, где стабилизирующая возвращающая сила, хотя в основном определяемая воздействующими на маятниковые массы центробежными силами, также определяется силами трения в опорах.
Двигатель внутреннего сгорания с описанным маятниковым гасителем, может быть выполнен с возможностью работы в старт-стопном режиме.
Как было сказано выше, маятниковые массы предложенного маятникового гасителя при простое маятниковой опоры также не могут занять положение, приводящее к неуравновешенному состоянию. Перед началом вращения неподвижной маятниковой опоры, например, при запуске двигателя внутреннего сгорания, маятниковые массы находятся либо в исходном состоянии, либо в рабочем положении, вследствие чего их не надо выводить из неуравновешенного состояния. Таким образом, предложенная конструкция маятникового гасителя особенно эффективна для двигателей внутреннего сгорания, эксплуатируемых в старт-стопном режиме.
Предпочтительными являются варианты, в которых маятниковый гаситель выполнен вместе с двухсекционным маховиком.
Если чтобы погасить возникшие колебания, необходимо настроить центробежный маятниковый гаситель или его маятниковые массы на возбуждение первого порядка в двигателе внутреннего сгорания, это нельзя обеспечить, когда устройство расположено на коленчатом валу или на неподвижном маховике, поскольку неравномерность работы двигателя слишком велика, а углы размаха и массы не могут быть выбраны слишком большими из-за ограниченного пространства.
С другой стороны, эффективное гашение может быть реализовано, когда центробежный маятниковый гаситель будет использоваться вместе с двухсекционным маховиком. При этом центробежный маятниковый гаситель соединен с второй стороной двухсекционного маховика, т.е. с элементом, на который передается только часть первоначальных колебаний. Тогда для компенсации остаточных колебаний будет достаточно существенно меньших маятниковых масс и углов размаха, что снижает потребность в пространстве.
При изготовлении маятникового гасителя для двигателя внутреннего сгорания вышеописанного типа, в котором для крепления соединительного элемента используется шток и/или цапфа, по крайней мере одна маятниковая опора может быть выполнена в виде единой детали вместе со штоком и/или маятниковыми массами по крайней мере одной маятниковой пары, которые выполнены в виде одной детали вместе с цапфой.
Выполнение маятниковых опор и штоков или маятниковых масс и цапф в виде единой детали делает возможным производство маятниковых опор вместе со штоками или маятниковых масс вместе с цапфой в рамках одной технологической операции.
Исполнение в виде единой детали обеспечивает неразъемное соединение маятниковой опоры со штоком или маятниковой массы с цапфой, что исключает необходимость в соединительных элементах, используемых для силового или геометрического соединения, а также позволяет сократить время, затрачиваемое на создание соединения.
По крайней мере одна маятниковая опора может быть изготовлена с помощью холодного формования. Технологии, в которых используется холодное формование, отличаются высокой точностью соблюдения размеров. Кроме того, путем последующей обработки поверхности отверстия цапфы и/или штока можно обеспечить необходимое значение коэффициента трения в опоре соединительного элемента на маятниковой массе и/или в опоре соединительного элемента на маятниковой опоре, соответственно.
Краткое описание чертежей
Далее полезная модель рассматривается на примерах со ссылкой на сопроводительные чертежи.
Фиг. 1 представляет собой схематический вид сбоку маятникового гасителя, известного из уровня техники, который находится в исходном состоянии,
Фиг. 2 представляет собой схематический вид сбоку маятникового гасителя с Фиг. 1, который находится в рабочем положении,
Фиг. 3 представляет собой схематический вид сбоку маятникового гасителя с Фиг. 1 в положении при неработающем двигателе,
Фиг. 4 представляет собой схематический вид сбоку маятникового гасителя согласно полезной модели, находящегося в исходном состоянии,
Фиг. 5 представляет собой схематический вид сбоку маятникового гасителя с Фиг. 4, находящегося в рабочем положении,
Фиг. 6 представляет собой схематический вид сбоку маятникового гасителя с Фиг. 4 в положении при неработающем двигателе.
Осуществление полезной модели
На Фиг. 1-3 на виде сбоку показан традиционный маятниковый гаситель 21, известный из уровня техники.
На Фиг. 4 схематически на виде сбоку показан маятниковый гаситель 1 двигателя внутреннего сгорания согласно полезной модели, который находится в исходном состоянии. Для разъяснения отличий от показанного на Фиг. 1 маятникового гасителя, известного из уровня техники, мы ссылаемся на Фиг. 1 и ее описание. Для аналогичных деталей, т.е. имеющих аналогичную функцию, используются одинаковые ссылочные позиции.
Маятниковый гаситель 1 с Фиг. 4 оснащен вращающейся вокруг оси вращения 2 маятниковой опорой 3 и парой маятниковых масс 4a, 4b, подвижно расположенных на маятниковой опоре 3 друг напротив друга на некотором расстоянии от оси вращения 2.
В отличие от маятникового гасителя 21 с Фиг. 1 серповидные маятниковые массы 4a, 4b соединены друг с другом на концах с помощью двух подвижных соединительных элементов 5′, 5″, расположенных с обеих сторон от оси вращения 2 на некотором расстоянии от нее.
Сами соединительные элементы 5′, 5″ в форме планки установлены с возможностью вращения вокруг своих центров на маятниковой опоре 3, причем маятниковая опора 3 содержит шток, а соединительный элемент 5′, 5″ имеет соответствующее отверстие для формирования опорной конструкции 6′, 6″ соединительного элемента 5′, 5″ на маятниковой опоре 3.
Кроме того, для выполнения соединения между собой двух маятниковых масс 4a, 4b каждый соединительный элемент 5′, 5″ установлен на каждой из маятниковых масс 4a, 4b с возможностью поворота, причем маятниковые массы 4а, 4b оснащены цапфами, а соединительные элементы 5′, 5″ имеют соответствующие отверстия для создания опорной конструкции 7a′, 7a″, 7b′, 7b″ между соединительными элементами 5′, 5″ и маятниковыми массами 4a, 4b.
Соединительные элементы 5′, 5″ обеспечивают не только соединение маятниковых масс 4a, 4b друг с другом, но и направление маятниковых масс 4a, 4b на маятниковой опоре 3 вдоль заданной траектории. На Фиг. 5 показан маятниковый гаситель 1 в рабочем положении при вращающейся маятниковой опоре 3. Потребность в дополнительном принудительном управлении, например, с помощью отверстий или роликовых штифтов, отсутствует.
Соединительные элементы 5′, 5″ обеспечивают кинематическое соединение двух маятниковых масс 4a, 4b друг с другом, в частности, когда одна маятниковая масса 4a, 4b принимает положение, отличное от исходного состояния, показанного на Фиг. 4. Движение, выполняемое одной маятниковой массой 4a, 4b пары, связано с движением другой маятниковой массы 4a, 4b и постоянно компенсирует его.
Таким образом, маятниковые массы 4a, 4b даже при неработающем двигателе внутреннего сгорания и неподвижной маятниковой опоре 3 не могут переходить в неуравновешенное состояние, как показано на Фиг. 6.
Перечень ссылочных позиций
1 Маятниковый гаситель
2 Ось вращения
3 Маятниковая опора
4 Пара маятниковых масс
4a Первая маятниковая масса
4b Вторая маятниковая масса
5′ Первый соединительный элемент
5″ Второй соединительный элемент
6′ Крепление первого соединительного элемента на маятниковой опоре
6″ Крепление второго соединительного элемента на маятниковой опоре
7a′ Крепление первого соединительного элемента на первой маятниковой массе
7a″ Крепление второго соединительного элемента на первой маятниковой массе
7b′ Крепление первого соединительного элемента на второй маятниковой массе
7b″ Крепление второго соединительного элемента на второй маятниковой массе
Предшествующий уровень техники:
21 Маятниковый гаситель
22 Ось вращения
23 Маятниковая опора
24 Пара маятниковых масс
24a Маятниковая масса
24b Маятниковая масса
25a Роликовый штифт
25b Роликовый штифт
26a Отверстие, направляющая
26b Отверстие, направляющая