УСТРОЙСТВО УРАВНОВЕШИВАНИЯ ЧЕТЫРЕХТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к машиностроению, а именно, к технике уравновешивания рядных двух и четырехцилиндровых четырехтактных двигателей внутреннего сгорания и предназначено для снижения возникающих в ходе рабочего процесса вибрационных сил и моментов, действующих на корпус двигателя.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство уравновешивания по патенту Великобритании №1498195, Кл. F 01 D 1/00, 1974 г. («механизм Мицубиси»), которое содержит два уравновешивающих вала, причем оси валов расположены в двух различных плоскостях, перпендикулярных плоскости осей цилиндров, параллельны и расположены на равном расстоянии от плоскости осей цилиндров (прототип).
Недостатком прототипа является неполная компенсация пульсаций опрокидывающего момента на первой или второй оборотной гармонике, так как «механизм Мицубиси» компенсирует только составляющую опрокидывающего момента, сдвинутого по фазе относительно первой и второй гармоники сил инерции на 90° («синусную» составляющую), но не компенсирует составляющую, находящуюся в одной фазе с гармоникой сил инерции («косинусную» составляющую).
Технический результат - повышение эффективности уравновешивания за счет применения компенсации как «синусной», так и «косинусной» составляющих опрокидывающего момента.
Это достигается тем, что устройство уравновешивания четырехтактных двигателей внутреннего сгорания, содержащее уравновешивающие валы, оси которых расположены в двух различных плоскостях, перпендикулярных плоскости осей цилиндров, содержит три уравновешивающих вала, причем оси двух валов первого уровня расположены в плоскости, перпендикулярной плоскости осей цилиндров на равных расстояниях от этой плоскости параллельно оси коленчатого вала, а третий вал расположен в плоскости, параллельной плоскости осей цилиндров, в которой заключен первый вал, параллельно первому валу на том же расстоянии от плоскости осей цилиндров, а уравновешивающие дебалансы всех трех валов расположены в плоскости симметрии перпендикулярной плоскости осей цилиндров.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства, когда к корпусу двигателя приложены суммарная сила инерции и суммарный опрокидывающий момент от газовых сил и сил инерции, а на фиг.2 представлена схема, когда уравновешивающие валы повернулись на 90°, то есть коленчатый вал 1 повернулся на 90° в случае двухцилиндрового двигателя или на 45° в случае четырехцилиндрового двигателя.
Устройство уравновешивания четырехтактных двигателей внутреннего сгорания содержит коленчатый вал 1 и три уравновешивающих вала: левый верхний 2, правый верхний 3 и левый нижний 4 (фиг.1 и 2) с уравновешивающими массами соответственно 5, 6 и 7. Коленчатый вал 1 и левый верхний уравновешивающий вал 2 вращаются по часовой стрелке, а остальные уравновешивающие валы 3 и 4 - против часовой стрелки. Для двухцилиндровых двигателей частота вращения уравновешивающих валов равна частоте оборотов коленчатого вала, а для четырехцилиндровых - удвоенной частоте вращения всех валов и синхронна с вращением коленчатого вала 1. Обеспечение такой синхронности может быть достигнуто различными средствами: применением зубчатых передач, применением зубчатых ременных передач, применением цепных передач, применением средств механотроники с использованием дискретных датчиков угловой скорости и положения их на коленчатом валу и на уравновешивающих валах и использованием прецизионных электроприводов,
управляемых по сигналам датчиков или комбинацией перечисленных средств (на чертеже не показано).
Оси двух валов первого уровня: левый верхний 2, правый верхний 3 расположены в плоскости, перпендикулярной плоскости осей цилиндров (на чертеже не показано) на равных расстояниях от этой плоскости параллельно оси коленчатого вала 1, а третий вал - левый нижний 4 расположен в плоскости, параллельной плоскости осей цилиндров, в которой заключен первый вал (левый верхний 2), параллельно первому валу на том же расстоянии от плоскости осей цилиндров, а уравновешивающие дебалансы (массы 5, 6, 7) всех трех валов 2, 3, 4 расположены в плоскости симметрии, перпендикулярной плоскости осей цилиндров.
Устройство уравновешивания четырехтактных двигателей внутреннего сгорания работает следующим образом.
Два вала, расположенных в одной плоскости, перпендикулярной плоскости осей цилиндров, вращаются в противоположные стороны, а вал, расположенный на другом уровне, вращается в направлении противоположном вращению вала, расположенного на первом уровне с той же стороны относительно плоскости осей цилиндров.
1
1
2
Дебалансы уравновешивающих валов равны: вала 2 - D; вала 3 - D+D;
2
i
i
i
i
i
i
вала 4 - D. Каждый дебаланс равен D=mr, где m - неуравновешенная масса, r -эксцентриситет массы m.
Рассмотрим схему определения дебалансов.
В результате теоретических и экспериментальных исследований найдено, что к корпусу двигателя приложены суммарная сила инерции и суммарный опрокидывающий момент от газовых сил и сил инерции (фиг.1).
Отсчет ведется от положения φ=0 в верхней мертвой точке для двухцилиндрового двигателя или в нижней для четырехцилиндрового двигателя (фиг.1). На фиг.2 показано положение, когда уравновешивающие валы повернулись на 90°, то есть коленчатый вал 1 повернулся на 90° в случае двухцилиндрового двигателя или на 45° - в случае четырехцилиндрового двигателя.
Из фиг.1 и 2 получим требуемые величины дебалансов и расстояния между валами вдоль оси цилиндров
где  - угловая скорость вращения валов 2, 3 и 4 на одинарной или двойной частоте оборотов коленчатого вала 1.
Таким образом определяются все параметры устройства уравновешивания, полностью компенсирующие вибрационные возмущения от неуравновешенных сил первого порядка для двухцилиндровых двигателей и гармонике опрокидывающего момента на частоте оборотов коленчатого вала для четырехцилиндровых двигателей, а также гармоники опрокидывающего
момента от газовых сил и сил инерции на двойной частоте оборотов коленчатого вала 1.
Параметры дебалансов валов определяются из следующих расчетных формул. Если теоретически или экспериментально определены суммарная неуравновешивающая сила инерции
и опрокидывающий момент
,
действующего на корпус двигателя на соответствующей гармонике, то дебаланс вала первого уровня со стороны расположения вала другого уровня определится как
,
где ω - частота вращения уравновешивающих валов.
Дебаланс третьего вала на втором уровне с той же стороны, что и первый вал равен
,
1
где h - расстояние между первым и вторым валом на одном уровне, причем дебалансы первого и третьего вала имеют фазу 180°.
Дебаланс второго вала, расположенного на одном уровне с первым валом, симметрично относительно плоскости осей цилиндров, равен
а расстояние между уровнями расположения первых двух валов и третьего вала определится, как
1
2
Вращение первого (D) и второго (D) вала происходит в одной фазе.