КОЛЕНЧАТЫЙ ВАЛ С МАЯТНИКОВЫМ ПОГЛОТИТЕЛЕМ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к автомобильной промышленности, в частности, к коленчатому валу двигателя с маятниковым поглотителем и его балансировке.
Уровень техники
В двигателях внутреннего сгорания для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение может быть использован коленчатый вал. Коленчатый вал может иметь несколько шатунных шеек, смещенных относительно его оси вращения. Каждая шатунная шейка соединена с помощью подшипника с шатуном, связанным с соответствующим поршнем. Сам коленчатый вал установлен на двух или более коренных подшипниках, на которых он вращается.
Во избежание чрезмерной вибрации во время вращения, коленчатый вал должен быть точно сбалансирован. С этой целью коленчатый вал может иметь несколько противовесов, которые уравновешивают массу каждой шатунной шейки, поршней, шатунов и внутренней смазки. Обычно коленчатый вал может иметь противовесы изначально увеличенного размера. На следующем шаге балансировки в противовесах могут быть высверлены облегчающие отверстия для удаления лишней массы, за счет чего обеспечивается балансировка коленчатого вала. При таком подходе облегчающие отверстия могут быть расположены фактически в любом месте на противовесе, не влияя на работу коленчатого вала.
Указанный выше способ может предотвратить чрезмерную вибрацию коленчатого вала, направленную перпендикулярно оси вращения, но не решает проблему крутильной вибрации, которая может возникать вокруг оси вращения. В частности, во время рабочего хода соответствующего поршня каждый шатун передает крутильный импульс своей шатунной шейке. С каждым принятым крутильным импульсом, коленчатый вал слегка поворачивается вокруг своей оси вращения, а затем, по окончании рабочего хода, возвращается назад. Таким образом, периодические крутильные импульсы от каждого шатуна могут вызывать сложные крутильные вибрации коленчатого вала. В зависимости от условий такие вибрации могут совпадать с порядком собственной резонансной частоты коленчатого вала. В этом случае возможно увеличение амплитуды вибраций, например, неупругая деформация коленчатого вала, что приводит к разрушению материала.
Некоторые компоненты коленчатого вала, например, маховики и гасители кручения, могут быть использованы для подавления крутильной вибрации, защищая коленчатый вал от выхода из строя из-за повреждения материала. Другим способом является установка на коленчатом валу одного или нескольких так называемых «маятниковых поглотителей». Например, такой подход изложен в патенте США №6,688,272, опубл. 10.02.2004, который может быть выбран в качестве ближайшего аналога. Маятниковый поглотитель - это масса, нежестко сопряженная с коленчатым валом на заданном расстоянии от оси вращения коленчатого вала. Когда коленчатый вал принимает крутильный импульс на шатунной шейке, этот импульс частично поглощается ускорением массы маятникового поглотителя в направлении импульса. Аналогичным образом, когда после импульса напряжение коленчатого вала снижается, снижению напряжения противодействует инерция в результате ускорения массы. Для подавления собственных колебаний коленчатого вала маятниковый поглотитель может быть отрегулирован путем изменения массы M и расстояния L между центром масс и осью вращения коленчатого вала.
В некоторых коленчатых валах маятниковые поглотители могут заменять некоторые или все стандартные противовесы, обеспечивая балансировку и поглощение крутильной вибрации. Однако при подобной конфигурации не может быть использован стандартный способ балансировки путем использования маятникового поглотителя увеличенного размера, а затем высверливания в нем облегчающих отверстий соответствующего размера для снижения массы. Это связано с тем, что масса M маятникового поглотителя влияет на порядок частоты вращения, на которую он настроен для данной скорости вращения, а также на порядок зажигания цилиндров.
Раскрытие полезной модели
Следовательно, техническим результатом настоящей полезной модели является обеспечение альтернативной конструкции сбалансированного коленчатого вала.
Представлен коленчатый вал, который содержит щеку, соединенную с шатунной шейкой и имеющую облегчающее отверстие через свою плоскость сечения, где плоскость сечения проходит через ось вращения шатунной шейки и ось вращения коленчатого вала. Кроме того, коленчатый вал также содержит поглощающий крутильную вибрацию маятник, шарнирно соединенный со щекой, причем маятник имеет массу, достаточную для балансировки коленчатого вала с облегчающим отверстием через плоскость сечения щеки, но недостаточную для балансировки коленчатого вала, не содержащего облегчающего отверстия в плоскости сечения щеки.
Облегчающее отверстие может быть расположено на расстоянии не менее 5 мм от поднутрения или смазочного отверстия шатунной шейки.
Щека может дополнительно содержать корректировочное отверстие, обеспечивающее корректировку вычисленного положения отверстия для извлечения материала в коленчатом валу, таким образом, чтобы оно лежало вдоль плоскости сечения.
Щека также может иметь левую балансировочную подкладку и правую балансировочную подкладку, расположенные на противоположных сторонах одного конца шатунной шейки, причем корректировочное отверстие выполнено в левой или правой балансировочной подкладке. Центр масс каждой балансировочной подкладки может находиться за пределами траектории, описываемой шатунной шейкой. Левая и правая балансировочные подкладки могут иметь одинаковый размер, форму и материал. Левая и правая балансировочные подкладки могут быть выполнены из материала, более прочного, чем материал, из которого изготовлена щека. Левая и правая балансировочные подкладки могут быть отлиты вместе со щекой, выштампованы из щеки или прикреплены к щеке с помощью болтов.
Маятник коленчатого вала может представлять собой бифилярный маятник. Маятник также может иметь заданную массу и быть установлен на заданном расстоянии от оси вращения, для поглощения крутильной вибрации заданного порядка вращающегося коленчатого вала.
Коленчатый вал может содержать несколько поглощающих крутильную вибрацию маятников, шарнирно соединенных с соответствующими щеками, причем в каждой щеке может быть выполнено облегчающее отверстие через плоскость сечения. При этом каждый маятник будет иметь массу, достаточную для балансировки коленчатого вала, только имеющего облегчающее отверстие в плоскости сечения соответствующей щеки.
Коленчатый вал может также содержать по меньшей мере одну уравновешенную щеку, не содержащую поглощающего крутильную вибрацию маятника.
Технический результат достигается за счет того, что при выполнении отверстия в щеке вместо маятника, необходимые свойства поглощения крутильной вибрации маятника не изменяются после процедуры балансировки. Кроме того, сверление облегчающего отверстия в плоскости сечения щеки сохраняет структурную целостность коленчатого вала.
Сбалансированный коленчатый вал может быть изготовлен следующим образом. К щеке коленчатого вала, которая соединена с шатунной шейкой, прикрепляют поглощающий кручение маятник. Маятник, соединенный со щекой, имеет недостаточную массу для балансировки коленчатого вала. Затем через плоскость сечения щеки высверливают облегчающее отверстие. При сверлении облегчающего отверстия, определенное количество материала удаляют из щеки так, чтобы масса маятника стала достаточной для балансировки коленчатого вала.
При выполнении отверстия в плоскости сечения щеки, в щеке выполняют корректировочное отверстие, обеспечивающее смещение к центру щеки вычисленного положения отверстия, и выполняют облегчающее отверстие в вычисленном положении.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 схематично показаны компоненты двигателя транспортного средства.
На Фиг. 2 показаны компоненты коленчатого вала.
На Фиг. 3 показано облегчающее отверстие в щеке коленчатого вала в поперечном сечении.
На Фиг. 4 показан вид спереди коленчатого вала.
На Фиг. 5 показана блок-схема, иллюстрирующая способ балансировки коленчатого вала.
Осуществление полезной модели
На Фиг. 1 схематично показаны компоненты двигателя 10 транспортного средства. Двигатель имеет несколько поршней 12 возвратно-поступательного хода. Хотя на Фиг. 1 показаны три поршня, полезная модель может быть также использована и для двигателей с большим или меньшим количеством поршней. Каждый поршень шарнирно соединен с одним концом соответствующего шатуна 14. Другой конец каждого шатуна шарнирно соединен с коленчатым валом 16 с помощью шатунного подшипника 18. Более конкретно, цилиндрическая шатунная шейка (здесь и далее называемая «шатунная шейка 20»), установлена с возможностью вращения в каждом шатунном подшипнике. Каждая шатунная шейка расположена между парой щек 22 и прикреплена к ним. В варианте осуществления на Фиг.1 смежные пары щек соединены с помощью нескольких коренных шеек 24. Коренные шейки соединены с возможностью вращения с соответствующими коренными подшипниками 26.
Коленчатый вал 16 имеет несколько маятниковых поглотителей (здесь и далее называемые «маятниками 28»), которые обеспечивают поглощение крутильной вибрации коленчатого вала. Каждый маятник может иметь определенную массу; он может быть установлен на заданном расстоянии от оси вращения коленчатого вала для поглощения крутильной вибрации заданного порядка при вращении коленчатого вала. В частности, масса M каждого маятника и расстояние L между центром масс маятника и осью 5 вращения коленчатого вала могут быть отрегулированы для обеспечения поглощения вибрации выбранного порядка - например, целый или полуцелый порядок деформации при кручении коленчатого вала.
На Фиг. 2 показан более подробный вид коленчатого вала 16 в одном из вариантов выполнения. В данном случае каждый маятник 28, поглощающий крутильную вибрацию, представляет собой бифилярный маятник. В показанном варианте осуществления маятники 28A, 28B, 28E и 28F шарнирно соединены с соответствующими щеками 22, каждый с помощью пары отвержденных опорных пальцев 30. Закрепленные на месте стопорными компонентами (не показаны) опорные пальцы перемещаются в широкой втулке 32 соответствующей щеки, позволяя маятнику свободно перемещаться относительно щеки в направлении, перпендикулярном оси вращения коленчатого вала. Такое движение позволяет каждому маятнику поглощать крутильную вибрацию заданного порядка. Более подробное описание маятниковых поглотителей, включая конструкцию и принцип работы, описано в патенте США №6,688,272 В2, указанном в данном документе посредством ссылки.
Маятник 28 может иметь двойное назначение в двигателе 10. Кроме поглощения крутильной вибрации маятник может уравновешивать массу шатунных шеек 20, шатунов 14, поршней 12 и внутренней смазки. В показанном варианте выполнения дополнительное уравновешивание обеспечивается щеками 22C и 22D, имеющими маятника, но выступающими в качестве противовеса.
В описанном способе один или несколько маятников 28 могут быть недостаточно тяжелыми для уравновешивания массы шатунных шеек, шатунов, поршней и внутренней смазки. Следовательно, при балансировке из соответствующей щеки 22 на противоположной стороне оси вращения коленчатого вала удаляют массу. В частности, заданная (например, вычисленная) масса материала может быть удалена из щеки путем высверливания, фрезерования или других видов механической обработки. Соответственно, на Фиг. 2 показано облегчающее отверстие 34B в щеке 22B и облегчающее отверстие 34F в щеке 22F. Как правило, любая щека или щеки коленчатого вала могут иметь облегчающие отверстия. В некоторых вариантах выполнения щека может иметь два или более облегчающих отверстия соответствующего размера, расположенных в определенных местах таким образом, чтобы обеспечить балансировку коленчатого вала.
Для сохранения структурной целостности коленчатого вала 16 облегчающие отверстия 34 высверливаются не в любом, а только в предусмотренном месте на щеке. Одно допустимое местоположение находится ближе к центру щеки, например, вдоль плоскости сечения щеки. В данном контексте плоскость сечения - это плоскость, которая проходит через щеку и включает в себя ось С вращения соответствующей шатунной шейки и ось 5 вращения коленчатого вала. В одном из вариантов облегчающее отверстие может быть просверлено вдоль плоскости сечения, как показано на Фиг. 3. На практике необходимое радиальное положение облегчающего отверстия в плоскости сечения (т.е. расстояние от оси 5 вращения) может быть определено с помощью известного из уровня техники станка для балансировки коленчатых валов путем моделирования/вычисления. В рассмотренных вариантах выполнения по крайней мере один из маятников имеет достаточную массу для балансировки коленчатого вала с облегчающим отверстием в прилежащей щеке, но недостаточную массу для балансировки коленчатого вала без облегчающего отверстия.
В идеальном случае одно облегчающее отверстие, просверленное в плоскости сечения щеки, может иметь соответствующие размер и положение, обеспечивающие балансировку коленчатого вала. Таким образом, облегчающее отверстие 34 может быть просверлено в положении, вычисленном для удаления материала и балансировки коленчатого вала. Из-за различий процедур изготовления коленчатого вала, возможны варианты, когда облегчающее отверстие, необходимое для балансировки коленчатого вала, может быть расположено не точно в плоскости сечения щеки. Однако плоскость сечения может быть единственным местоположением, где можно высверлить облегчающее отверстие без чрезмерного ослабления коленчатого вала. Для решения данной проблемы в некоторых вариантах выполнения используют боковые балансировочные подкладки, закрепленные на любой щеке, в которой будет просверлено облегчающее отверстие. Соответственно, щеки 22A, 22B, 22E и 22F на Фиг. 2 снабжены боковыми балансировочными подкладками 36. В одном из вариантов осуществления соответствующие левые и правые балансировочные подкладки могут быть расположены на противоположных сторонах одного конца шатунной шейки 20. В одном из вариантов левые и правые балансировочные подкладки могут иметь одинаковый размер, форму и материал. В других вариантах, левые и правые балансировочные подкладки могут немного различаться. В некоторых вариантах левые и правые балансировочные подкладки изготовлены из материала более прочного, чем материал, из которого изготовлена остальная часть щеки.
В вариантах с использованием боковых балансировочных подкладок 36 при необходимости можно высверлить дополнительные корректировочные компенсирующие отверстия для того, чтобы сместить необходимое (т.е. вычисленное) положение облегчающего отверстия 34 к центру щеки. Это действие может привести, например, к сдвигу вычисленного положения по направлению к плоскости сечения. Таким образом, если вычисленное положение облегчающего отверстия находится слева от плоскости сечения, корректировочное отверстие может быть выполнено в левой балансировочной подкладке для смещения вычисленного положения вправо, выравнивая его с плоскостью сечения. Следовательно, вычисленное положение для удаления материала из коленчатого вала, в конечном счете, совпадает с положением, где фактически может быть выполнено облегчающее отверстие. Данный подход также показан на Фиг. 4, где показан вид коленчатого вала 16 спереди. На Фиг. 4 также показана плоскость P сечения щеки. Как указано выше, плоскость сечения включает в себя ось C вращения шатунной шейки и ось S вращения коленчатого вала. Облегчающее отверстие 34F лежит вдоль плоскости сечения. В показанном варианте левая балансировочная подкладка 36L расположена слева от шатунной шейки 20, а правая балансировочная подкладка 36R. расположена справа от шатунной шейки.
В варианте конструкции на Фиг. 4 показаны два отверстия в щеке 22Р: облегчающее отверстие 34F, выполненное в плоскости P сечения, и корректировочное отверстие 38, выполненное в левой балансировочной подкладке 36L, чтобы сдвинуть вычисленное положение облегчающего отверстия для выравнивания с плоскостью сечения. В других вариантах осуществления, корректировочное отверстие может быть просверлено в правой балансировочной подкладке вместо левой балансировочной подкладки в положении 36R.. В других вариантах корректировочные отверстия могут быть выполнены и в левой, и в правой балансировочной подкладке. Выполнение отверстия в левой и правой балансировочных подкладках одной щеки может эффективно сдвинуть вычисленное положение облегчающего отверстия радиально вдоль плоскости сечения к центру щеки. Подобный подход может быть полезен, например, если вычисленное положение находится слишком высоко на щеке.
Необходимо отметить, что параметры схем, показанных на чертежах, не должны рассматриваться как ограничивающие, поскольку возможны и другие варианты реализации. В одном из вариантов, например, центр масс каждой балансировочной подкладки может находиться за пределами линии, описываемой шатунной шейкой при вращении коленчатого вала. Кроме того, корректировочные отверстия, выполненные в балансировочных подкладках, могут иметь любую желаемую ориентацию и любую подходящую длину. Если в щеке имеется достаточное количество материала, корректировочные отверстия могут проникать в щеку. В некоторых вариантах для выполнения описанных выше задач балансировочные подкладки не используют, а корректировочные отверстия выполняют прямо в щеках.
Описанные выше конфигурации позволяют осуществлять балансировку коленчатого вала различными способами. Соответственно, некоторые из этих способов описаны далее со ссылкой на упомянутые выше конфигурации. Следует понимать, что описанные способы, а также другие способы в рамках данного описания, могут быть также обеспечены с помощью других конфигураций.
На Фиг. 5 проиллюстрирован способ 40 балансировки коленчатого вала. На этапе 42 способа 40 изготавливают различные компоненты коленчатого вала. Коленчатый вал, относящийся к этому способу, может быть изготовлен путем отливки и/или штамповки с последующей механической обработкой. В некоторых вариантах осуществления к отлитому и/или штампованному и обработанному коленчатому валу могут быть добавлены другие компоненты любым подходящим способом, например, креплением болтами, сваркой и т.д. Как отмечалось выше, один или несколько поглощающих кручение маятников с недостаточным весом могут быть изготовлены любым подходящим способом перед выполнением балансировки, когда массу удаляют из других частей коленчатого вала. Кроме того, левая и правая балансировочные подкладки могут быть изготовлены по отдельности, отлиты вместе с соответствующей щекой, выштампованы из щеки или, в некоторых вариантах осуществления, присоединены с помощью болтов или приварены к щеке. На этапе 44 по крайней мере один поглощающий кручение маятник с недостаточным весом соединяют с по крайней мере одной щекой коленчатого вала. На данном этапе балансировки маятник может иметь недостаточную массу для балансировки коленчатого вала.
На этапе 46 вычисляют необходимый размер и положение облегчающего отверстия в щеке. Извлекаемая масса и радиальное положение облегчающего отверстия в плоскости сечения могут быть определены с помощью известного из уровня техники станка для балансировки коленчатых валов, после чего используют любой подходящий способ моделирования/вычисления. В одном из вариантов осуществления облегчающее отверстие может быть выполнено с по крайней мере пятимиллиметровым зазором от любого поднутрения шатунной шейки или смазочного отверстия, как показано на Фиг. 3.
На этапе 48 определяют, является ли вычисленное положение подходящим. Вычисленное положение считается допустимым, если оно находится в каком-либо месте на щеке, не оказывая влияния на целостность коленчатого вала выше приемлемого предела. В одном из вариантов осуществления подходящим считается положение в плоскости P сечения по направлению к центру щеки. Если вычисленное положение является подходящим, способ переходит к этапу 52. Однако если вычисленное положение не удовлетворяет требованиям, способ переходит к этапу 50.
На этапе 50 выполняют корректировочное отверстие в левой или правой балансировочной подкладке для смещения вычисленного положения к центру щеки. В одном из вариантов осуществления корректировочное отверстие может сместить вычисленное положение вдоль плоскости P сечения. В другом варианте осуществления корректировочное отверстие можно циклически выполнять и сдвигать с повторным вычислением положения облегчающего отверстия.
На этапе 52 выполняют облегчающее отверстие в вычисленном месте щеки. В одном из вариантов осуществления облегчающее отверстие высверливают вдоль плоскости сечения щеки, где плоскость сечения включает в себя ось вращения шатунной шейки и ось вращения коленчатого вала, как показано на Фиг. 4. В одном из вариантов осуществления при высверливании может быть извлечено такое количество материала, чтобы массы маятника было достаточно для балансировки коленчатого вала.
В других вариантах осуществления, рассматриваемых в настоящем документе, коленчатый вал может быть возвращен на балансировочный станок для проверки балансировки, которая не должна превышать допустимых пределов. Если коленчатый вал не сбалансирован, способ 40 может вернуться на этап 46, где можно сместить облегчающее и корректировочное отверстие для достижения балансировки. Таким образом, разные способы сверления и оценки можно циклически повторять до тех пор, пока из щеки не будет извлечено достаточное количество материала для балансировки коленчатого вала.