Система балансировочных валов для двухцилиндрового четырехтактного двигателя (варианты)
BALANCING SHAFT SYSTEM FOR TWO-CYLINDER FOUR-STROKE ENGINE (OPTIONS)

Изобретение относится к системе балансировки валов в двухцилиндровом четырехтактном двигателе.
узлом балансировочных валов, расположенным во впадине между рядами цилиндров
Известен поршневой двигатель автомобильного типа (см. US 5375571 C, 27.12.1994), выполненный в виде V-образного двигателя с распределительным валом, , состоящим из пары соосно установленных балансировочных валов первого и второго порядка, расположенных один внутри другого, каждый из которых имеет диаметрально противоположные противовесы на противоположных сторонах от центра вала, воздействующие на вращающие моменты для устранения остаточных моментов инерционного дисбаланса первого и второго порядка, которые возникают при нормальной работе двигателя, и  не компенсировались до этого обычными противовесами, установленными на коленчатом валу двигателя.
В этом поршневом двигателе, наиболее близком к предлагаемому,  основным недостатком является не надлежащее гашение вибрации в промежуточных точках, и снижение ресурса двигателя.
Задачей настоящего изобретения является снижение вибрационной нагрузки на двухцилиндровый четырехтактный двигатель, шасси транспортного средства, корпус энергетической установки (такой как пожарная помпа, генератор), минимализация габаритов и массы двигателя, увеличение ресурса двигателя в целом  и снижение его стоимости.
Данная задача решается  посредством  создания конструкции системы балансировочных валов первого порядка (компенсируют силы и моменты первого порядка, вращаются со скоростью равной скорости вращения коленвала) с  минимальным межосевым расстоянием между коленчатым и балансировочными валами, за счет оптимизации траектории прохождения балансировочного вала относительно нижней головки шатуна при повороте кривошипно-шатунного механизма на углы от 55 до 95 градусов от верхней мертвой точки (ВМТ) по направлению к балансировочным валам. Во всём этом диапазоне расстояние между крайней точкой нижней головки шатуна и балансировочным валом остается практически неизменным, по сравнению с ярко выраженным минимумом при выполнении пропилов в балансировочных валах без отклонения от вертикали на углы A и B, что в свою очередь ведет к минимализации габаритов и массы двигателя, и актуально для спортивных моторов и моторов, работающих в условиях тесной компоновки моторного отсека, без потери прочности балансировочного вала в самых узких сечениях. При необходимости, глубину пропила можно уменьшить, при сохранении межосевого расстояния между коленчатым и балансировочными валами.
Кроме того, такая конструкция балансировочных валов позволяет повысить надежность деталей кривошипно-шатунного механизма и двигателя в целом (избегая поломки или заклинивания, в случае попадания в зазор между балансировочным валом и шатуном посторонних частиц).
Раскрытие изобретения
Для достижения указанного технического результата предлагается конструкция системы балансировочных валов в двухцилиндровом четырехтактном двигателе.
.
В соответствии с первым вариантом изобретения, система балансировочных валов двухцилиндрового четырехтактного двигателя, содержащая коленчатый вал, шатуны с верхней и нижней головкой, пару соосно установленных балансировочных валов, включающую первый  и второй балансировочный валы, на каждом из которых установлены диаметрально противоположные противовесы, подшипники скольжения, зубчатые колеса, оба балансировочных вала расположены по одну сторону от коленчатого вала, имеют противоположные направления вращения, одинаковую частоту вращения, в зонах прохождения головок шатунов на каждом из балансировочных валов  выполнен продольно-поперечный  пропил, внутренний край которого в поперечном сечении для первого балансировочного вала выполнен под углом от 1 до 15 градусов от вертикали, угол определяется в обратном направлению вращения первого балансировочного вала направлении, для второго  балансировочного вала внутренний край пропила в поперечном сечении выполнен под углом от 1 до 20 градусов от вертикали, угол определяется  по направлению вращения второго  балансировочного вала, противовес первого балансировочного вала установлен перед подшипником скольжения, соединяющим, выполненный в виде опоры конец первого балансировочного вала и выполненный  в виде опоры конец второго балансировочного вала, конец первого балансировочного вала входит в соединяющий подшипник скольжения на половину толщины подшипника
В соответствии с первым вариантом выполнения балансировочных валов, для обеспечения проворачиваемости первого (вращающегося в том же направлении, что и коленвал) балансировочного вала относительно шатуна, его противовес приходится переносить из плоскости оси цилиндра (перпендикулярной оси коленвала, в которой двигается шатун) в центральную зону, где коленвал имеет узкое цилиндрическое сечение и не имеет эксцентрично движущихся элементов. Выполненный с дополнительной опорой противовес позволяет максимально повысить надежность узла в целом, за счет устранения негативных эффектов консольного закрепления. При этом второй балансировочный вал из-за небольших габаритов и малого расстояния между третьим и четвертым подшипниками скольжения, вполне может работать, опираясь на половину третьего подшипника скольжения.
В соответствии со вторым вариантом изобретения, система балансировочных валов двухцилиндрового четырехтактного двигателя, содержащая коленчатый вал, шатуны с верхней и нижней головкой, пару соосно установленных балансировочных валов, включающую первый  и второй балансировочный валы, на каждом из которых установлены диаметрально противоположные противовесы, подшипники скольжения, зубчатые колеса, оба балансировочных вала расположены по одну сторону от коленчатого вала, имеют противоположные направления вращения, одинаковую частоту вращения, в зонах прохождения головок шатунов на каждом из балансировочных валов  выполнен продольно-поперечный  пропил, внутренний край которого в поперечном сечении для первого балансировочного вала выполнен под углом от 1 до 15 градусов от вертикали, угол определяется в обратном направлению вращения первого балансировочного вала направлении, для второго  балансировочного вала внутренний край пропила в поперечном сечении выполнен под углом от 1 до 20 градусов от вертикали, угол определяется по направлению вращения второго балансировочного вала, противовес первого балансировочного вала установлен консольно на конце самого вала перед подшипником скольжения, выполненном в виде опоры на конце второго балансировочного вала.
В соответствии со вторым вариантом выполнения балансировочных валов, для обеспечения проворачиваемости первого (вращающегося в том же направлении, что и коленвал) балансировочного вала относительно шатуна, его противовес приходится переносить из плоскости оси цилиндра (перпендикулярной оси коленвала, в которой двигается шатун) в центральную зону, где коленвал имеет узкое цилиндрическое сечение и не имеет эксцентрично движущихся элементов.
Консольно выполненный противовес позволяет максимально эффективно использовать пространство между вторым и третьим подшипниками скольжения балансировочных валов, минимизировав габариты и массу первого балансировочного вала в осевом направлении, что в свою очередь ведет к уменьшению массы и габаритов корпусных деталей, и двигателя в целом, и позволяет максимально упростить и удешевить конструкцию балансировочной системы, а также убрать из конструкции упорные подшипники (59, 60) и упоры (39, 57) балансировочных валов.
Конструкция балансировочных валов согласно изобретению, установленных соосно по одну сторону от коленчатого вала, имеющих противоположные направления вращения и одинаковую частоту вращения, способна уравновесить силу инерции кривошипно-шатунного механизма, шатуны которого установлены на коленчатом валу двигателя.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 - фиг. 13.
На фиг.1 показан общий вид системы  балансировочных валов  для двухцилиндрового четырехтактного двигателя, с головками шатунов, расположенными на максимальном удалении от балансировочных валов.
На фиг.2 -  динамическая схема распределения сил кривошипно-шатунного механизма в  системе  балансировочных валов
На фиг.3 - общий вид системы балансировочных валов для двухцилиндрового четырехтактного двигателя, с головками шатунов на подходе к минимальному расстоянию до балансировочных валов
На фиг.4 - вид сверху системы балансировочных валов для двухцилиндрового четырехтактного двигателя, в соответствии с первым вариантом  изобретения
На фиг.5 - увеличенное изображение противовеса первого балансировочного вала и подшипника скольжения второго балансировочного вала, в соответствии с первым вариантом  изобретения
На фиг.6 - увеличенное изображение противовеса первого балансировочного вала и подшипника скольжения второго балансировочного вала, в соответствии со вторым вариантом изобретения
На фиг.7 - изображение  места расположения и формы профиля пропила, выполненного на втором балансировочном валу
На фиг.8 -  изображение места расположения и формы профиля пропила, выполненного на первом балансировочном валу, в соответствии с первым вариантом изобретения
На фиг.9 - увеличенное изображение места расположения и формы профиля пропила, выполненного на первом балансировочном валу, в соответствии со вторым вариантом изобретения
На фиг.10-11 показаны виды поперечного сечения A-A первого балансировочного вала, где внутренний край пропила в поперечном сечении выполнен под углом А от вертикали, угол определяется в обратном направлению вращения первого балансировочного вала направлении
На фиг.12-13 показаны виды поперечного сечения B-B второго балансировочного вала, где внутренний край пропила в поперечном сечении выполнен под углом B от вертикали, угол определяется по направлению вращения второго балансировочного вала
Как показано на фиг.1-6 чертежей система балансировочных валов для двухцилиндрового четырехтактного двигателя, содержит следующие элементы:
1. Коленчатый вал
2. Хвостовик коленчатого вала
3. Первая (передняя) коренная шейка коленчатого вала
4. Первая (передняя) щека коленчатого вала
5. Противовес первой (передней) щеки коленчатого вала
6. Первая (передняя) шатунная шейка
7. Вторая щека коленчатого вала
8. Противовес второй щеки коленчатого вала
9. Вторая коренная шейка коленчатого вала
10. Центральная часть коленчатого вала
11. Третья коренная шейка коленчатого вала
12. Третья щека коленчатого вала
13. Противовес третьей щеки коленчатого вала
14. Вторая (задняя) шатунная шейка
15. Четвертая (задняя) коренная шейка коленчатого вала
16. Четвертая (задняя) щека коленчатого вала
17. Противовес четвертой (задней) щеки коленчатого вала
18. Посадочное место шестерни привода заднего балансировочного вала
19. Бобышка крепления вала отбора мощности
20. Шестерня привода переднего балансировочного вала
21. Шестерня привода заднего балансировочного вала
22. Первый (передний) коренной подшипник скольжения коленчатого вала
23. Второй коренной подшипник скольжения коленчатого вала
24. Третий коренной подшипник скольжения коленчатого вала
25. Четвертый (задний) коренной подшипник скольжения коленчатого вала
26. Первый (передний) шатунный подшипник скольжения
27. Первый (передний) шатун
28. Нижняя крышка первого (переднего) шатуна
29. Шатунный болт первого (переднего) шатуна
30. Второй (задний) шатунный подшипник скольжения
31. Второй (задний) шатун
32. Нижняя крышка второго (заднего) шатуна
33. Шатунный болт второго (заднего) шатуна
34. Промежуточный вал
35. Промежуточное зубчатое колесо привода переднего балансировочного вала
36. Первый балансировочный вал
37. Хвостовик первого балансировочного вала
38. Первая (передняя) опора первого балансировочного вала
39. Упор первого балансировочного вала
40. Центральная часть первого балансировочного вала
41. Центральный пропил (выборка) первого балансировочного вала
42. Вторая опора первого балансировочного вала
43. Противовес первого балансировочного вала
44. Задний пропил (выборка) первого балансировочного вала
45. Третья опора первого балансировочного вала
46. Зубчатое колесо привода первого балансировочного вала
47. Первый подшипник скольжения
48. Второй подшипник скольжения
49. Третий подшипник скольжения
50. Четвертый подшипник скольжения
51. Второй балансировочный вал
52. Первая (передняя) опора второго балансировочного вала
53. Противовес второго балансировочного вала
54. Пропил (выборка) второго балансировочного вала
55. Посадочное место зубчатого колеса привода второго балансировочного вала
56. Зубчатое колесо привода второго балансировочного вала
57. Упор второго балансировочного вала
58. Вторая (задняя) опора второго балансировочного вала
59. Упорный подшипник первого балансировочного вала
60. Упорный подшипник второго балансировочного вала
В соответствии с изобретением, коленчатый вал 1, имеет  хвостовик 2,  центральную часть 10, первую (переднюю) коренную шейку 3, вторую коренную шейку 9, третью коренную шейку 11, четвертую (заднюю) коренную шейку 15, первую (переднюю) щеку 4, вторую щеку 7, третью щеку 12, четвертую (заднюю) щеку 16, противовес 5 первой (передней) щеки 4,  противовес 8 второй щеки 7,  противовес  13 третьей щеки 12, противовес 17 четвертой (задней) щеки 16, первую  (переднюю) шатунную шейку 6, вторую (заднюю) шатунную  шейку 14.  На коленчатом валу 1 установлены бобышка крепления вала отбора мощности 19, шестерня привода 20 первого балансировочного вала 36, шестерня привода 21 второго балансировочного вала 51, первый (передний) коренной подшипник скольжения 22, второй коренной подшипник скольжения 23, третий коренной подшипник скольжения 24, четвертый (задний) коренной подшипник скольжения 25, первый (передний) шатунный подшипник скольжения 26, первый (передний) шатун 27 с шатунным болтом 29 и  нижней крышкой 28, второй (задний) шатунный подшипник скольжения 30, второй (задний) шатун 31 с шатунным болтом 33 и  нижней крышкой 32. Установленные на первом и втором балансировочных валах: первый подшипник скольжения 47, второй подшипник скольжения 48, и соответственно третий подшипник скольжения 49, четвертый подшипник скольжения 50, служат опорами для вращения  первого и второго балансировочных валов, и  предназначены для увеличения срока службы картера двигателя и улучшения ремонтопригодности двигателя в целом.
На промежуточном валу 34 установлено промежуточное зубчатое колесо 35 привода первого балансировочного вала 36, вступающее в зацепление с зубчатым колесом 46 привода первого балансировочного вала 36. Второй балансировочный вал 51 имеет первую (переднюю) опору 52, вторую (заднюю) 58 опору вала, противовес вала 53, пропил (выборку) вала 54, зубчатое колесо 56 привода вала, упор 57 вала, упорный подшипник 60.
В соответствии с первым вариантом изобретения, первый балансировочный вал  36 имеет хвостовик 37, первую (переднюю) опору 38 вала, упор 39 вала, центральную часть 40 вала, вторую опору 42 вала, противовес 43 вала установленный перед подшипником скольжения 45,  задний пропил (выборку) 44 вала, третью опору 45 вала, зубчатое колесо привода 46, упорный подшипник 59. Противовес 43 установлен перед подшипником скольжения 45, который соединяет выполненный в виде опоры конец первого балансировочного вала и выполненный  в виде опоры 52 конец второго балансировочного вала. Конец первого балансировочного вала входит в соединяющий подшипник скольжения 45 на половину толщины подшипника.
В соответствии с вторым вариантом изобретения, первый балансировочный вал 36 имеет хвостовик 37, первую (переднюю) опору 38 вала, упор 39 вала, центральную часть 40 вала, вторую опору 42 вала, задний пропил (выборку) 44 вала, противовес 43 вала, установленный консольно перед подшипником скольжения 45, установленным на конце второго балансировочного вала.
Выполнение пропилов 41 и 54, форма которых показана на фиг. 7 - 9, на первом балансировочном валу 36 и втором балансировочном валу 51, соответственно, при возвратно-поступательном движении первого и второго шатунов (27, 31), позволяет создать условия для свободного прохождения
нижней части головки шатунов (27, 31) и шатунных болтов (29, 33), через пространство двигателя, где расположены балансировочные валы, не соприкасаясь с телом самих валов, обеспечивая таким образом более компактную сборку двигателя, сокращая его габаритные размеры и снижая вес.
В системе балансировочных валов противовес 43 первого балансировочного вала 36 расположен между коренными шейками 9 и 11 коленчатого вала 1, выполнение пропила 41 на первом балансировочном валу 36,  что позволяет коленчатому  валу 1 с установленными на нем первым 27 и вторым 31 шатунами свободно поворачиваться, на задевая при этом первый балансировочный вал 36, соответственно, чем достигается уменьшение веса конструкции, и создается дополнительный полезный объем в пространстве  двигателя. На первом балансировочном валу 36 выполнен пропил 44, для облегчения конструкции и снижения массы противовеса. В соответствии с первым вариантом изобретения,  размер и форма пропила 44 выполнены аналогично размерам и форме пропилов 41 и 54. В соответствии со вторым вариантом изобретения пропил 44 имеет форму среза, и так же предназначен для облегчения конструкции и снижения массы противовеса.
Внутренний край пропила в поперечном сечении А-А для первого балансировочного вала выполнен под углом A, в интервале  от  1 до 15 градусов от вертикали, угол А определяется в обратном направлению вращения первого балансировочного вала направлении.
Внутренний край пропила в поперечном сечении В-В для второго  балансировочного вала  выполнен под углом В,  в интервале  от 1 до 20 градусов от вертикали, угол В определяется по направлению вращения второго балансировочного вала.
Система балансировки двухцилиндрового четырехтактного двигателя работает следующим образом: балансировочные валы (36, 51), установленные на подшипниках скольжения (47, 48, 49, 50), приводятся в движение через  зубчатые колеса (35, 46, 56) балансировочных валов и шестерни привода (20, 21), вращающимся коленчатым валом (1), и начинают вращаться в противоположные стороны с одинаковой частотой вращения. Установленные на балансировочных валах (36, 51) противовесы (43, 53) компенсируют силы инерции, возникающие в  кривошипно-шатунном механизме, совершающем возвратно-поступательные движения.
Предлагаемая конструкция балансировочных валов для двухцилиндрового четырехтактного двигателя позволяет уравновесить их по возникающим моментам горизонтальных составляющих центробежных сил на всех углах поворота, кроме прохождения ВМТ (верхней мертвой точки) и НМТ (нижней мертвой точки), где центробежная сила каждого из противовесов принимает только вертикальную составляющую.