КОЛЕНЧАТЫЙ ВАЛ ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована при производстве коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания.
Уровень техники
Силовая передача транспортного средства передает движущую силу от источника питания к колесам. Двигатель представляет собой один из примеров источника питания, который содержит коленчатый вал. Коленчатый вал преобразует энергию сгорания топлива в цилиндрах двигателя в энергию вращения. В частности, энергия сгорания передается от цилиндров двигателя к поршням, которые совершают линейные возвратно-поступательные движения. Поршни передают энергию сгорания на коленчатый вал через шатуны, и коленчатый вал преобразует поступательное движение во вращательное движение. Коленчатый вал может также иметь коренные шейки, находящиеся в механическом сообщении с коренными подшипниками. Коренные подшипники коленчатого вала закреплены между блоком цилиндров и коленчатым валом. Смазка протекает от блока цилиндров к подшипникам, и блок цилиндров поддерживает подшипники и коленчатый вал. Блок цилиндров и подшипники позволяют коленчатому валу и коренным шейкам вращаться внутри подшипников. Один пример конструкции коленчатого вала приведен в документе US 2005/0115524, который может быть выбран в качестве ближайшего аналога. В данном документе показан четырехцилиндровый двигатель, имеющий пять коренных шеек, соединенных с возможностью вращения с коленчатым валом двигателя. Подшипники направляют вращение коленчатого вала и механически соединены с блоком цилиндров, который поддерживает коленчатый вал и подшипники.
Недостатком известной конструкции является то, что, когда на коленчатый вал через соединительные шатуны поступает крутящий момент, коленчатый вал может изгибаться и вибрировать. Изгибание коленчатого вала может ограничивать скорость вращения двигателя и увеличивать его вибрацию. Один из способов уменьшить изгибание коленчатого вала заключается в использовании большего количества коренных шеек вдоль длины коленчатого вала так, чтобы можно было обеспечить поддержку коленчатого вала в нескольких местах. Однако, потери двигателя на трение пропорциональны количеству коренных шеек коленчатого вала. Следовательно, с добавлением каждой коренной шейки потери двигателя на трение возрастают. В результате при увеличении количества коренных подшипников выходная мощность двигателя может значительно уменьшиться наряду с увеличением расхода топлива. Кроме того, с каждой дополнительной коренной шейкой увеличивается вес двигателя и, соответственно, стоимость блока цилиндров.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом полезной модели является смягчение вибрации коленчатого вала, увеличение его сопротивляемости изгибу и долговечности.
Для достижения указанного эффекта используют коленчатый вал, который содержит неподдерживаемый осевой участок, расположенный между внешней коренной шейкой и внутренней коренной шейкой, и имеющий центральную ось, совпадающую с осью вращения коленчатого вала. На этом неподдерживаемом осевом участке вала закреплен маятниковый поглотитель, состоящий из лопасти, отходящей от этого участка вала, и маятникового противовеса, прикрепленного к лопасти. Маятниковый противовес может быть прикреплен с возможностью удаления к неподдерживаемому осевому участку с помощью крепежных приспособлений, которые могут представлять собой штыри и втулки. Маятниковый противовес может быть осесимметричным и может радиально расширяться от неподдерживаемого осевого участка вала с углом более 120 градусов относительно оси вращения коленчатого вала. Маятниковый противовес может быть выполнен из материала, отличного от материала лопасти.
Коленчатый вал может иметь четыре шатунных шейки, каждая из которых напрямую соединена с одним из четырех поршневых шатунов. При этом четыре поршневых шатуна могут быть соединены с поршнями, расположенными внутри цилиндров, которые находятся в линейной конфигурации, где оси цилиндров лежат в одной плоскости.
В другом варианте коленчатый вал может содержать три коренных шейки, механически соединенных с четырьмя шатунами, расположенными в линейной конфигурации; неподдерживаемый осевой участок вала, расположенный между двумя коренными шейками вала и имеющий центральную ось, совпадающую с осью вращения коленчатого вала; и маятниковый поглотитель, прикрепленный к неподдерживаемому осевому участку вала и включающий в себя первую лопасть и вторую лопасть, отходящие от неподдерживаемого осевого участка вала, причем к первой лопасти прикреплен первый маятниковый противовес, а ко второй лопасти прикреплен второй маятниковый противовес. Первый и второй маятниковые противовесы могут быть смещены относительно оси вращения коленчатого вала и иметь одинаковую форму. Первый маятниковый противовес может быть радиально выровнен с внешней шатунной шейкой, а второй маятниковый противовес может быть радиально выровнен с внутренней шатунной шейкой, причем внутренняя и внешняя шатунные шейки прикреплены к отдельным поршневым шатунам. Первая и вторая лопасти могут быть противоположно направленными и отходить от внешней поверхности неподдерживаемого осевого участка вала, которая имеет равномерный радиальный изгиб. Внутренняя и внешняя шатунные шейки могут быть радиально разделены на 180 градусов.
В еще одном варианте коленчатый вал двигателя может содержать две внешние коренные шейки и одну внутреннюю коренную шейку; неподдерживаемый осевой участок вала, расположенный между внешней коренной шейкой и внутренней коренной шейкой, и имеющий центральную ось, совпадающую с осью вращения коленчатого вала; и маятниковый поглотитель, прикрепленный к неподдерживаемому осевому участку вала и включающий в себя первую лопасть и вторую лопасть, отходящие от неподдерживаемого осевого участка вала, причем к первой лопасти прикреплен первый маятниковый противовес, а ко второй лопасти прикреплен второй маятниковый противовес. Коленчатый вал может дополнительно содержать две внутренних шатунных шейки и две внешних шатунных шейки, прикрепленные к поршневым шатунам, которые соединены с отдельными поршнями цилиндров двигателя, расположенных в линейной конфигурации, где оси цилиндров лежат в одной плоскости. Маятниковый поглотитель может быть расположен между одной из внутренних шатунных шеек и одной из внешних шатунных шеек, а первый маятниковый противовес может быть направлен противоположно второму маятниковому противовесу.
Использование в конструкции коленчатого вала маятниковых поглотителей обеспечивает дополнительную разгрузку инерциальных сил коренного подшипника, весовую балансировку коленчатого вала, а также увеличивают жесткость коленчатого вала в неподдерживаемых зонах. В результате интенсивность шума, вибраций и неплавности движения (NVH) двигателя может быть уменьшена, тем самым повышая удовлетворенность потребителя.
Кроме того, разъемное прикрепление маятниковых поглотителей к участку вала увеличивает степень универсальности коленчатого вала, что позволяет использовать такой коленчатый вал в различных типах двигателей.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлено схематичное изображение системы двигателя внутреннего сгорания с коленчатым валом;
На Фиг. 2 представлено другое схематичное изображение двигателя внутреннего сгорания и коленчатого вала, показанных на Фиг. 1;
На Фиг. 3 представлен первый пример коленчатого вала, показанного на Фиг. 2;
На Фиг. 4 представлен второй пример коленчатого вала, показанного на Фиг. 2;
На Фиг. 5 представлен вид сбоку второго примера коленчатого вала, показанного на Фиг.4;
На Фиг. 6 представлен вид сзади коленчатого вала, показанного на Фиг. 4;
На Фиг. 7-13 представлены поперечные разрезы коленчатого вала, показанного на Фиг. 4;
На Фиг. 14 представлен передний конец коленчатого вала, показанного на Фиг. 4;
На Фиг. 15 представлен блок цилиндров, который может поддерживать коленчатый вал, показанный на Фиг. 1-14.
Чертежи на Фиг. 2-14 представлены в приблизительном масштабе. При этом при желании могут использоваться другие размеры.
Осуществление полезной модели
Настоящее описание относится к коленчатому валу для двигателя внутреннего сгорания, который может представлять собой часть системы, показанной на Фиг. 1 и 2.
На Фиг. 1 показана схема системы двигателя 10 внутреннего сгорания, содержащего несколько цилиндров, один из которых представлен на Фиг.1, и который управляется электронным контроллером 12 двигателя. Двигатель может быть использован в транспортном средстве. Двигатель 10 содержит цилиндр 30 и стенки 32 цилиндра с поршнем 36, размещенным в них и соединенным с коленчатым валом 40.
Двигатель 10 также имеет головку 90 цилиндра, соединенную с блоком 91 цилиндров, для формирования цилиндра 30. Таким образом, блок 91 цилиндров образует часть цилиндра 30. Цилиндр 30 показан сообщающимся с впускным коллектором 44 и выпускным коллектором 48 через соответствующие впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. Впускной и выпускной клапаны могут быть приведены в действие впускным кулачком 51 и выпускным кулачком 53. Таким образом, клапаны могут быть задействованы циклически для осуществления сгорания в цилиндре 30. Однако в других примерах может быть использован электромагнитный клапан.
Топливная форсунка 66 показана расположенной таким образом, чтобы впрыскивать топливо непосредственно в цилиндр 30, что известно специалистам в данной области как «прямой впрыск». Альтернативно или дополнительно, топливо может впрыскиваться во впускные каналы, что известно специалистам как «впрыск во впускные каналы». Топливная форсунка 66 поставляет жидкое топливо пропорционально ширине импульса сигнала (FPW) от контроллера 12. Топливо подается к топливной форсунке 66 топливной системой (не показана), содержащей топливный бак, топливный насос и топливную рампу (не показаны). На топливную форсунку 66 подается рабочий ток от привода 68, который реагирует на сигналы контроллера 12. Кроме того, впускной коллектор 44 показан сообщающимся с необязательным электронным дросселем 62, который регулирует положение дроссельной заслонки 64 для контроля воздушного потока от впускной камеры 46 наддува. В других примерах двигатель 10 может содержать турбонагнетатель с компрессором, расположенным в системе впуска, и турбиной, расположенной в выхлопной системе. Турбина может быть соединена с компрессором с помощью вала. Для создания большего топливного давления на форсунку 66 может быть использована двухстадийная топливная система высокого давления.
Безраспределительная система 88 зажигания может подавать искру зажигания в цилиндр 30 через свечу 92 зажигания в соответствии с сигналом от контроллера 12. Однако в некоторых вариантах система 88 зажигания может не входить в состав двигателя 10 и/или может использоваться воспламенение от сжатия. Универсальный кислородный датчик 126 (UEGO) показан соединенным с выхлопным коллектором 48 выше по потоку каталитического конвертера 70. Кроме того, бистабильный датчик содержания кислорода в отработавших газах может быть заменен универсальным кислородным датчиком 126 (UEGO).
Каталитический конвертер 70 или любое другое устройство снижения токсичности отработавших газов может быть расположено ниже по потоку выпускного коллектора 48. В одном примере конвертер 70 может состоять из нескольких каталитических блоков. В другом примере могут использоваться несколько устройств снижения токсичности отработавших газов, каждое из которых имеет множество блоков. В одном примере конвертер может представлять собой трехкомпонентный нейтрализатор.
Контроллер 12 показан на Фиг. 1 как традиционный микрокомпьютер, содержащий: микропроцессорный блок 102 (CPU), порты 104 ввода и вывода (I/O), постоянное запоминающее устройство 106 (ROM), оперативную память 108 (RAM), оперативную энергонезависимую память 110 (KAM) и обычную шину данных. Контроллер 12 показан получающим различные сигналы от датчиков, соединенных с двигателем 10. Помимо описанных выше сигналов, контроллер также получает следующие данные: о температуре охлаждающей жидкости двигателя (ECT) от датчика 112 температуры, соединенного с каналом 114 охлаждения; от датчика положения 134, соединенного с педалью газа 130, для измерения силы нажатия ногой 132; датчик детонации для определения воспламенения хвостовых газов (не показан); измерения давления в коллекторе двигателя (MAP) от датчика давления 122, соединенного с впускным коллектором 44; о фазе двигателя с датчика 118 на эффекте Холла, считывающего положение коленчатого вала 40; показания датчика 120 воздушной массы, поступающей в двигатель (например, теплового измерителя воздушного потока); и показания положения дросселя от датчика 58. Также для обработки контроллером 12 может быть измерено барометрическое давление (датчик не показан). Согласно предпочтительному варианту воплощения изобретения, датчик 118 на эффекте Холла производит заранее установленное количество равномерных импульсов в каждый цикл коленчатого вала, на основании которых может быть определена скорость вращения двигателя (RPM).
В некоторых вариантах выполнения двигатель может быть соединен с электромотором/батареей, как например, в гибридных автомобилях. Автомобиль с гибридным приводом может иметь параллельную и последовательную конфигурации, а также их комбинации и вариации. Кроме того, в некоторых вариантах можно использовать другие конфигурации двигателя, например, дизельный двигатель.
Во время работы каждый цилиндр в двигателе 10 обычно проходит 4 рабочих цикла: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Во время впуска обычно выпускной клапан 54 закрывается, а впускной клапан 52 открывается. Воздух поступает в цилиндр 30 через впускной коллектор 44, а поршень 36 двигается по направлению к дну цилиндра так, чтобы увеличить объем внутри цилиндра 30. Положение, в котором поршень 36 находится рядом с дном цилиндра и в конце своего хода (т.е. когда цилиндр 30 имеет наибольший объем) обычно называется специалистами в данной области нижней мертвой точкой (HMT). Во время хода сжатия впускной клапан 52 и выпускной клапан 54 закрыты. Поршень 36 двигается по направлению к головке цилиндров, чтобы сжать воздух внутри цилиндра 30. Точка, в которой поршень 36 находится в конце своего хода и наиболее близко к головке цилиндров (т.е. когда цилиндр имеет наименьший объем) обычно называется специалистами в данной области верхней мертвой точкой (BMT). В процессе, здесь и далее обозначаемом «впрыскивание», топливо поступает в камеру сгорания. В процессе, здесь и далее обозначаемом «зажигание», впрыснутое топливо воспламеняют с помощью известных способов зажигания, таких как свеча 92 зажигания, что приводит к сгоранию. Дополнительно или в качестве альтернативы, для зажигания воздушно/топливной смеси может быть использовано компрессионное сжатие. Во время рабочего хода расширяющиеся газы толкают поршень 36 обратно к НМТ. Коленчатый вал 40 превращает движение поршня в крутящий момент вращающегося вала. Наконец, во время хода выпуска, выпускной клапан 54 открывается, чтобы выпустить воспламененную смесь воздуха и топлива в выпускной коллектор 48, а поршень возвращается к ВМТ. Можно отметить, что вышеизложенное приведено только в качестве примера, и распределение по времени открывания и/или закрывания впускного и выпускного клапанов может меняться так, чтобы обеспечить положительное или отрицательное перекрытие клапанов, позднее закрывание впускного клапана или различные другие варианты.
На Фиг. 2 представлено примерное схематичное изображение двигателя 10, показанного на Фиг. 1. Двигатель 10 содержит поршень 36 и цилиндр 30. Двигатель 10 также содержит 3 дополнительных цилиндра и соответствующих поршня. Следовательно, в целом двигатель 10 содержит 4 поршня и 4 цилиндра. При этом в других примерах количество цилиндров в двигателе может быть изменено. Поршень 36 и цилиндр 30 могут быть названы «первый поршень» и «первый цилиндр». На схеме также показаны второй поршень 200, третий поршень 202, и четвертый поршень 204. Второй поршень 200 расположен внутри второго цилиндра 206, третий поршень 202 расположен внутри третьего цилиндра 208, а четвертый поршень 204 расположен внутри четвертого цилиндра 210.
Цилиндры (30, 206, 208 и 210) расположены в линейной (рядной) конфигурации. Другими словами центральные оси 212 всех этих цилиндров лежат в одной плоскости. Когда цилиндры выровнены таким образом, первый и четвертый цилиндры (30 и 210 соответственно) могут быть названы внешними цилиндрами, а второй и третий цилиндры (206 и 208 соответственно) могут быть названы внутренними цилиндрами. Кроме того, когда цилиндры расположены таким образом, двигатель 10 может быть назван однорядным четырехцилиндровым двигателем.
Каждый из поршней соединен с коленчатым валом 40 через поршневой шатун, обозначенный стрелками 214. Таким образом, образующаяся в цилиндрах энергия может быть переведена во вращение коленчатого вала. Поршневые шатуны соединены с шатунными шейками коленчатого вала 40, которые подробно рассмотрены далее.
Коленчатый вал 40 обобщенно показан в виде прямоугольника. При этом следует понимать, что коленчатый вал характеризуется дополнительными признаками, которые показаны на Фиг. 3-14 и подробно описаны далее.
Коленчатый вал 40 имеет передний конец 220 и задний конец 222. Маховик 224 может быть прикреплен к заднему концу 222. Задний конец 222 может быть также соединен с трансмиссией 226. Стрелка 227 обозначает соединение заднего конца 222 с трансмиссией 226. Трансмиссия 226 может представлять собой механическую коробку передач, автоматическую коробку передач, бесступенчатую коробку передач, и тому подобное.
На Фиг. 2 также показаны 3 коренных подшипника 230 в механическом соединении с коленчатым валом 40. Каждый из коренных подшипников 230 может содержать внутреннее кольцо, которое расположено в тесном контакте вокруг коренной шейки подшипника коленчатого вала 40, который подробно рассмотрен со ссылкой на Фиг. 3-14. Подшипники 230 могут также иметь наружное кольцо, которое механически соединено с блоком цилиндров (показан на Фиг. 15). Подшипники 230 выполнены с возможностью обеспечивать вращение коленчатого вала 40, одновременно обеспечивая его поддержку. В изображенном примере двигатель 10 содержит всего 3 коренных подшипника. Такое количество подшипников может быть использовано для снижения потерь на трение во время работы двигателя и вращения коленчатого вала. Сокращение потерь на трение может также увеличить предел перегрузки двигателя. Работа двигателя может включать в себя период времени, когда осуществляется сгорание в двигателе, и энергия, полученная во время сгорания, передается на коленчатый вал.
На Фиг. 3 представлен первый пример коленчатого вала 40. Коленчатый вал 40, показанный на Фиг. 3, имеет передний конец (носок) 220 и задний конец 222, как было рассмотрено выше в отношении Фиг. 2. Коленчатый вал 40 также содержит первую шатунную шейку 300, вторую шатунную шейку 302, третью шатунную шейку 304 и четвертую шатунную шейку 306. Таким образом, коленчатый вал всего имеет четыре шатунных шейки. Однако могут быть рассмотрены и коленчатые валы, имеющие другое количество шатунных шеек. Первая шатунная шейка 300 и четвертая шатунная шейка 306 размещены в аналогичных радиальных положениях относительно оси 350 вращения. Подобным образом, вторая шатунная шейка 302 и третья шатунная шейка 304 размещены в аналогичных радиальных положениях относительно оси 350 вращения. Расположение шатунных шеек, показанное на Фиг. 3, поддерживает порядок работы цилиндров двигателя 1-3-4-2. Однако могут быть рассмотрены и другие положения шатунных шеек. Как было рассмотрено выше, шатунные шейки (300, 302, 304 и 306) могут быть механически соединены с поршневыми шатунами 214, показанными на Фиг.2. Следует понимать, что во время работы коленчатый вал 40 вращается вокруг оси 350 вращения.
Коленчатый вал 40 также имеет первую внешнюю коренную шейку 308, внутреннюю коренную шейку 310, и вторую внешнюю коренную шейку 312. Внутренняя коренная шейка 310 в приведенном примере является единственной внутренней коренной шейкой коленчатого вала. Однако могут быть рассмотрены и другие конфигурации шеек коленчатого вала. Внутренняя коренная шейка 310 расположена между первой внешней коренной шейкой 308 и второй внешней коренной шейкой 312. В приведенном примере, коленчатый вал 40 всего имеет 3 коренные шейки (308, 310 и 312). Таким образом, коленчатый вал 40 имеет меньшее количество подшипников по сравнению с коленчатыми валами, известными из уровня техники, которые имеют по крайней мере 5 коренных шеек. В результате трение в трансмиссии может быть уменьшено, тем самым увеличивая выходную мощность двигателя. Каждая из коренных шеек коленчатого вала может находиться в механическом соединении с коренными подшипниками 230, показанными на Фиг. 2. Более конкретно, внешняя поверхность каждой из коренных шеек может находиться в механическом соединении (например, соприкасаясь поверхностями и/или в непосредственно контакте) с внутренним кольцом коренного подшипника.
Коленчатый вал 40 также имеет первый неподдерживаемый осевой участок 314 вала и второй неподдерживаемый осевой участок 316 вала. Первый неподдерживаемый осевой участок 314 вала расположен между первой внешней коренной шейкой 308 и внутренней коренной шейкой 310. Аналогичным образом, второй неподдерживаемый осевой участок 316 вала расположен между второй внешней коренной шейкой 312 и внутренней коренной шейкой 310. Первый и второй неподдерживаемые осевые участки вала обеспечивают отделение частей коленчатого вала 40 от картера двигателя. Таким образом, первый и второй неподдерживаемые осевые участки вала (314 и 316) не поддерживаются, и их движение не направляется прикрепленными к ним подшипниками напрямую. Первый и второй неподдерживаемые осевые участки вала (314 и 316) могут быть расположены на равном расстоянии от внутренней коренной шейки 310. Кроме того, первый и второй неподдерживаемые осевые участки вала (314 и 316) не соединены напрямую с коренным подшипником или другими внешними по отношению к коленчатому валу компонентами. Следует понимать, что непосредственное соединение означает отсутствие промежуточных компонентов, расположенных между соединяемыми деталями.
Коленчатый вал 40 также имеет первую лопасть 318, вторую лопасть 320, третью лопасть 322 и четвертую лопасть 324. Как показано на схеме, лопасти имеют постоянную осевую толщину. Однако могут быть рассмотрены и другие варианты толщины и конфигурации лопасти. Например, лопасти могут быть скошенными в радиальном направлении. Осевая толщина может быть измерена вдоль оси 350 вращения. Кроме того, первая и вторая лопасти 318 и 320 направлены противоположно друг другу. Третья и четвертая лопасти (322 и 324) направлены противоположно друг другу. Первая лопасть 318 и вторая лопасть 320 соединены с первым неподдерживаемым осевым участком 314 вала. Третья лопасть 322 и четвертая лопасть 324 соединены со вторым неподдерживаемым осевым участком 316 вала. Лопасти выполнены таким образом, чтобы уравновешивать массу коленчатого вала 40 при его вращении, тем самым уменьшая вибрацию коленчатого вала во время вращения. Лопасти обеспечивают уравновешивание массы коленчатого вала 40 при вращении. При этом следует понимать, что для того, чтобы гасить колебания в коленчатом валу 40, могут быть использованы дополнительные противовесы. Следовательно, коленчатый вал 40 может иметь дополнительные компоненты балансировки масс, такие как маятниковые противовесы (400 и 402), показанные на Фиг. 4 и подробно рассмотренные далее.
На Фиг. 3 также показаны первый шатунный противовес 326, второй шатунный противовес 328 и третий шатунный противовес 330. Первый шатунный противовес 326 имеет только одну балансировочную массу 332. Аналогично, третий шатунный противовес 330 имеет только одну балансировочную массу 334. Однако могут быть рассмотрены и другие конфигурации шатунных противовесов. Например, первый и третий шатунные противовесы могут иметь несколько балансировочных масс. Балансировочная масса 332 расположена непосредственно рядом с первой внешней коренной шейкой 308.
Кроме того, балансировочная масса 332 расположена напротив первой внешней шатунной шейки 300. Балансировочная масса 334 расположена непосредственно рядом со второй внешней коренной шейкой 312. Второй шатунный противовес 328 имеет две массы 336, расположенные напротив внутренней коренной шейки 310. Кроме того, две массы 336 имеют одинаковое радиальное расположение. Кроме того, все массы в шатунных противовесах (326, 328 и 330) идентичны по форме и размеру. Однако в других примерах массы, включенные в шатунные противовесы, могут различаться по размеру и/или форме. Шатунные противовесы выполнены с возможностью уравновешивать шатунные шейки коленчатого вала 40. Таким образом, может быть уменьшена вибрация во время работы коленчатого вала. В результате интенсивность шума, вибраций и неплавности движения (NVH) двигателя может быть уменьшена. Следует понимать, что коленчатый вал 40, показанный на Фиг. 3, также может иметь щеки 338, соединяющие шатунные шейки с неподдерживаемыми осевыми участками (314 и 316) вала и коренными шейками (308, 310 и 312).
На Фиг. 4 показан коленчатый вал 40, содержащий дополнительные компоненты для балансировки масс. Как показано на Фиг. 4, коленчатый вал 40 дополнительно содержит первый маятниковый противовес 400, второй маятниковый противовес 402, третий маятниковый противовес 404 и четвертый маятниковый противовес 406. Как показано на схеме, каждый противовес напрямую механически прикреплен к лопасти. При этом в других примерах между лопастями и маятниковыми противовесами может быть расположен промежуточный компонент. Первый маятниковый противовес 400 механически соединен с первой лопастью 318, показанной на Фиг. 3, второй маятниковый противовес 402 механически соединен со второй лопастью 320, показанной на Фиг. 3, третий маятниковый противовес 404 механически соединен с третьей лопастью 322, показанной на Фиг. 3, а четвертый маятниковый противовес 406 механически соединен с четвертой лопастью 324, показанной на Фиг. 3. Маятниковые противовесы могут быть съемными. Таким образом, коленчатый вал может быть адаптирован для различных двигателей. Например, размер и форма противовесов могут быть разработаны для различных двигателей, чтобы ослаблять желаемые частоты, причем при желании для всех двигателей может быть использован один тип основной конструкции коленчатого вала. Таким образом, коленчатый вал может быть использован в различных двигателях, уменьшая стоимость производства.
Кроме того, материал, используемый в маятниковых противовесах, может отличаться от материала лопастей.
Первый и второй маятниковые противовесы (400 и 402 соответственно) могут быть названы первой парой маятниковых противовесов, а третий и четвертый маятниковые противовесы (404 и 406 соответственно) могут быть названы второй парой маятниковых противовесов. Первая пара маятниковых противовесов (400 и 402) механически соединена с первым неподдерживаемым осевым участком 314 вала. Подобным образом вторая пара маятниковых противовесов (404 и 406) механически соединена со вторым неподдерживаемым осевым участком 316 вала. Ось 350 вращения коленчатого вала 40 показана для наглядности. Кроме того, первый маятниковый противовес 400 направлен противоположно второму маятниковому противовесу 402.
Первая лопасть 318, вторая лопасть 320, первый маятниковый противовес 400 и второй маятниковый противовес 402 входят в состав первого маятникового поглотителя 410. Аналогично, третья лопасть 322, четвертая лопасть 324, третий маятниковый противовес 404 и четвертый маятниковый противовес 406 входят в состав второго маятникового поглотителя 412. Таким образом, первый маятниковый поглотитель 410 может включать в себя первую лопасть 318, вторую лопасть 320, первый маятниковый противовес 400 и второй маятниковый противовес 402. Кроме того, второй маятниковый поглотитель может включать в себя третью лопасть 322, четвертую лопасть 324, третий маятниковый противовес 404 и четвертый маятниковый противовес 406. Каждый из маятниковых поглотителей расположен между внутренней шатунной шейкой и внешней шатунной шейкой. Эти маятниковые поглотители могут быть названы внутренними маятниковыми поглотителями. Маятниковые поглотители (410 и 412) выполнены с возможностью смягчения вибрации коленчатого вала 40. В частности, первый маятниковый поглотитель 410 может быть выполнен с возможностью смягчения вибрации коленчатого вала 40, вызванной первой шатунной шейкой 300 и второй шатунной шейкой 302. Аналогично, второй маятниковый поглотитель 412 может быть выполнен с возможностью смягчения вибрации коленчатого вала 40, вызванной третьей шатунной шейкой 304 и четвертой шатунной шейкой 306. Таким образом, интенсивность шума, вибраций и неплавности движения (NVH) двигателя может быть уменьшена. Маятниковые поглотители также могут увеличить жесткость коленчатого вала, уменьшая его изгибаемость, в результате чего повышается эффективность коленчатого вала во время вращения и уменьшается вибрация. Жесткость коленчатого вала может также снизить вероятность ухудшения качества работы коленчатого вала. Маятниковые поглотители также обеспечивают дополнительную разгрузку инерциальных сил коренного подшипника.
Как показано на рисунке, первый маятниковый поглотитель 410 напрямую прикреплен к первому неподдерживаемому осевому участку 314 вала, а второй маятниковый поглотитель 412 напрямую прикреплен ко второму неподдерживаемому осевому участку 316 вала. Однако в других вариантах выполнения между маятниковыми поглотителями и неподдерживаемыми осевыми участками вала могут быть расположены промежуточные компоненты.
На Фиг. 5 представлен вид сбоку коленчатого вала 40, показанного на Фиг. 3. Как показано на рисунке, первый маятниковый поглотитель 410 отходит от внешней поверхности 500 первого неподдерживаемого осевого участка 314 вала и непосредственно соединен с ней. Аналогичным образом, второй маятниковый поглотитель 412 отходит от внешней поверхности 502 второго неподдерживаемого осевого участка 316 вала и непосредственно соединен с ней. Внешние поверхности (500 и 502) имеют одинаковый радиальный изгиб. В частности, внешняя поверхность имеет круглое сечение, но могут быть рассмотрены и другие контуры поверхности. Кроме того, первый маятниковый противовес 400 и второй маятниковый противовес 402 полностью охватывают (перекрывают) внешнюю поверхность 500 в осевом направлении. Ось 350 вращения коленчатого вала 40 представлена для наглядности. При этом в других примерах первый и второй маятниковые противовесы могут только частично перекрывать внешнюю поверхность 500 в осевом направлении. Следует понимать, что маятниковые противовесы могут перекрывать внешнюю поверхность 500 в осевом направлении за счет отделенности неподдерживаемых осевых участков вала от картера двигателя. При расположении маятниковых противовесов указанным образом, могут быть достигнуты лучшие показатели смягчения вибраций коленчатого вала. Подобным образом, третий маятниковый противовес 404 и четвертый маятниковый противовес 406 перекрывают внешнюю поверхность 502 в осевом направлении. В изображенном примере третий маятниковый противовес 404 и четвертый маятниковый противовес 406 смещены относительно оси вращения коленчатого вала, но могут быть рассмотрены и другие варианты расположения маятниковых противовесов.
На Фиг. 5 также показаны секущие плоскости для Фиг. 6-13. Стрелки указывают направление взгляда на поперечное сечение, образованное секущей плоскостью.
На Фиг. 6 представлен вид заднего конца 222 коленчатого вала 40. Как показано на чертеже, задний конец 222 содержит соединительный фланец 600 маховика. Маховик 224, показанный на Фиг. 2, может быть соединен с соединительным фланцем 600 с помощью болтов, винтов и/или других подходящих крепежных приспособлений. Также показана ось 350 вращения коленчатого вала.
На Фиг. 7 представлен вид коленчатого вала 40 в поперечном разрезе. Также изображена балансировочная масса 334, входящая в состав третьего шатунного противовеса 330. Как показано на рисунке, балансировочная масса 334 радиально расходится. Радиальное расхождение показано с помощью угла 700. На Фиг. 7 также показаны вторая внешняя коренная шейка 312 и ее радиус 710. Следует понимать, что радиус 710 второй внешней коренной шейки 312 может быть в значительной степени эквивалентен радиусам внутренней коренной шейки 310 и первой внешней коренной шейки 308.
На Фиг. 8 представлено другое поперечное сечение коленчатого вала 40, на котором виден четвертый маятниковый противовес 406. Как показано на рисунке, четвертый маятниковый противовес 406 радиально расходится вокруг второго неподдерживаемого осевого участка 316 вала более чем на 120 градусов относительно оси 350 вращения коленчатого вала. Радиальное расхождение показано с помощью угла 800. Кроме того, четвертый маятниковый противовес 406 является осесимметричным, но могут быть рассмотрены и другие варианты его геометрии.
Как было указано выше, четвертый маятниковый противовес 406 может быть съемным образом соединен с четвертой лопастью 324, показанной на Фиг. 3, для чего могут быть использованы крепежные приспособления 802. Крепежные приспособления могут включать в себя штыри 804 и втулки 806. Следует понимать, что первый маятниковый противовес 400 и четвертый маятниковый противовес 406 имеют аналогичный размер, форму и радиальное положение. Четвертый маятниковый противовес 406 радиально выровнен с третьей шатунной шейкой 304, показанной на Фиг. 10. Другими словами, центр четвертого маятникового противовеса находится в таком же радиальном положении, что и центр третьей шатунной шейки. Радиальное положение определяется относительно оси 350 вращения.
На Фиг. 9 представлено другое поперечное сечение коленчатого вала 40, иллюстрирующее третий маятниковый противовес 404. Третий маятниковый противовес 404 радиально расширяется вокруг второго неподдерживаемого осевого участка 316 вала более чем на 120 градусов относительно оси 350 вращения коленчатого вала. Радиальное расхождение указано с помощью угла 900. Следует понимать, что центральной осью второго неподдерживаемого осевого участка 316 вала является ось 350 вращения вала. Подобным образом центральной осью первой неподдерживаемой соосной секции вала 314 является ось 350 вращения вала. Таким образом, центральные оси неподдерживаемых осевых участков вала и ось вращения коленчатого вала выровнены. Кроме того, радиус 910 второго неподдерживаемого осевого участка 316 вала может быть больше, чем радиус 710 второй внешней коренной шейки 312, показанной на Фиг. 7. Следует понимать, что радиус первого неподдерживаемого осевого участка 314 вала, показанного на Фиг. 3, может быть в значительной степени равнозначен радиусу 910 второго неподдерживаемого осевого участка 316 вала.
Третий маятниковый противовес 404 также может быть съемным образом соединен с третьей лопастью 322, показанной на Фиг. 3, с помощью крепежных приспособлений 902. Крепежные приспособления могут включать в себя штыри 904 и втулки 906. Следует понимать, что второй маятниковый противовес 402 и третий маятниковый противовес 404 имеют аналогичный размер, форму и радиальное положение. Кроме того, третий маятниковый противовес 404 радиально выровнен с четвертой шатунной шейкой 306, показанной на Фиг. 8. Другими словами, центр третьего маятникового противовеса находится в таком же радиальном положении, что и центр четвертой шатунной шейки. Радиальное положение определяется относительно оси 350 вращения.
На Фиг. 10 представлено другое поперечное сечение коленчатого вала 40, на котором видна третья шатунная шейка 304, а также одна из масс 336, входящих во второй шатунный противовес 328. Также показан угол 1000 радиального расхождения массы 336 относительно оси 350 вращения. Как показано на рисунке, третья шатунная шейка 304 радиально отделена от четвертой шатунной шейки 306, показанной на Фиг.8, на 180 градусов, но могут быть рассмотрены и другие варианты их взаимного расположения.
На Фиг. 11 представлено другое поперечное сечение коленчатого вала 40, на котором видна внутренняя коренная шейка 310, а также ось 350 вращения и одна из двух масс 336. Следует понимать, что в изображенном примере две массы 336 имеют в значительной степени аналогичный размер, форму и радиальное положение.
На Фиг. 12 представлено другое поперечное сечение коленчатого вала 40, на котором видна вторая шатунная шейка 302, а также второй маятниковый противовес 402. Как было отмечено выше, второй маятниковый противовес 402 и четвертый маятниковый противовес 406 имеют в значительной степени аналогичные размер, форму и радиальное положение.
На Фиг. 13 представлено другое поперечное сечение коленчатого вала 40, на котором видна первая шатунная шейка 300 и масса 332. Следует понимать, что масса 332 и масса 334 могут иметь в значительной степени аналогичный размер, форму и радиальное положение.
На Фиг. 14 представлено другое поперечное сечение коленчатого вала 40, на котором виден передний конец 220 коленчатого вала 40.
Обратимся теперь к Фиг. 15, где представлен вид сверху примера блока цилиндров, который поддерживает коленчатый вал, показанный на Фиг. 1-14. Блок 1500 цилиндров включает в себя цилиндры 36, 200, 202 и 204. Блок 1500 цилиндров также включает в себя три постели 1502, 1504 и 1506 коренных подшипников. Коренные подшипники 230, показанные на Фиг. 2, вдавлены в постели 1502, 1504 1506. На каждый коренной подшипник через смазочные отверстия 1510 подается смазочное масло. Таким образом, в четырехцилиндровом двигателе всего имеется три постели коренных подшипников. Подобная конфигурация блока цилиндров может быть использована в двигателе, имеющем также дополнительные цилиндры, например, в двигателе с восьмью цилиндрами.
На Фиг. 1-15 показан коленчатый вал, имеющий неподдерживаемый осевой участок, расположенный между внешней коренной шейкой и внутренней коренной шейкой и имеющий центральную ось, выровненную с осью вращения коленчатого вала. Кроме того, коленчатый вал содержит маятниковый поглотитель, соединенный с неподдерживаемым осевым участком вала, и включающий в себя лопасть, расширяющуюся от неподдерживаемого осевого участка вала, и соединенный с ней маятниковый противовес.
Коленчатый вал на Фиг. 1-15 также может содержать маятниковый противовес, съемным образом соединенный с неподдерживаемым осевым участком вала с помощью крепежных приспособлений, которые могут представлять собой штыри и втулки. Коленчатый вал на Фиг. 1-15 также содержит четыре шатунных шейки, каждая из которых напрямую соединена с одним из четырех поршневых шатунов. При этом четыре поршневых шатуна соединены с поршнями, расположенными внутри цилиндров, расположенных в линейной конфигурации, то есть имеющими оси, лежащими в одной плоскости.
Коленчатый вал на Фиг. 1-15 также может содержать маятниковый противовес, который симметричен относительно оси и радиально расширяется вокруг неподдерживаемого осевого участка вала более чем на 120 градусов относительно оси вращения коленчатого вала. Маятниковый противовес может быть выполнен из материала, отличного от материала лопасти.
Коленчатый вал на Фиг. 1-15 также может содержать три коренных шейки вала, которые механически прикреплены к четырем шатунам, расположенным в линейной конфигурации. Также коленчатый вал содержит неподдерживаемый осевой участок, расположенный между двумя из трех коренных шеек и имеющий ось, совпадающую с осью вращения коленчатого вала. Коленчатый вал также содержит маятниковый поглотитель, соединенный с неподдерживаемым осевым участком вала и включающий в себя первую лопасть и вторую лопасть, расширяющиеся от неподдерживаемого осевого участка вала, а также первый маятниковый противовес, соединенный с первой лопастью, и второй маятниковый противовес, соединенный со второй лопастью.
Маятниковые противовесы коленчатого вала на Фиг. 1-15 смещены от оси вращения коленчатого вала, причем первый и второй маятниковые противовесы имеют близкую геометрию. Первая и вторая лопасти расширяются в противоположных радиальных направлениях от внешней поверхности неподдерживаемого осевого участка вала, причем эти внешние поверхности имеют равномерный радиальный изгиб. Первый маятниковый противовес радиально выровнен с внешней шатунной шейкой, а второй маятниковый противовес выровнен с внутренней шатунной шейкой. Внутренняя и внешняя шатунные шейки соединены с отдельными поршневыми шатунами и радиально разделены на 180 градусов.
Коленчатый вал на Фиг. 1-15 может содержать две внешних коренных шейки, одну внутреннюю коренную шейку и неподдерживаемый осевой участок вала, расположенный между внешней коренной шейкой и внутренней коренной шейкой. При этом центральная ось неподдерживаемого осевого участка вала выровнена с осью вращения коленчатого вала. Коленчатый вал также содержит маятниковый поглотитель, соединенный с неподдерживаемым осевым участком вала и включающий в себя первую лопасть и вторую лопасть, отходящие от неподдерживаемого осевого участка вала. При этом первый маятниковый противовес соединен с первой лопастью, а второй маятниковый противовес соединен со второй лопастью.
Коленчатый вал на Фиг. 1-15 может содержать две внутренних и две внешних шатунных шейки, соединенные с поршневыми шатунами в двигателе. При этом поршневые шатуны соединены с отдельными поршнями цилиндров, которые расположены в линейной конфигурации (центральные оси цилиндров лежат в одной плоскости). Маятниковый поглотитель расположен между внутренней шатунной шейкой и внешней шатунной шейкой. Первый маятниковый противовес расширяется в направлении, противоположном направлению расширения второго маятникового противовеса.
Коленчатый вал на Фиг. 1-15 для однорядного четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания может содержать две внешних коренных шейки вала и одну внутреннюю коренную шейку, расположенную между двумя внешними коренными шейками по оси коленчатого вала.
Коленчатый вал на Фиг. 1-15 для однорядного четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания также может иметь первый неподдерживаемый осевой участок вала, расположенный между одной из двух внешних коренных шеек вала и единственной внутренней коренной шейкой вала, при этом центральная ось первого неподдерживаемого осевого участка вала выровнена с осью вращения коленчатого вала. Коленчатый вал также может иметь второй неподдерживаемый осевой участок вала, расположенный между второй внешней коренной шейкой и единственной внутренней коренной шейкой, при этом центральная ось второго неподдерживаемого осевого участка вала выровнена с осью вращения коленчатого вала.
Радиус первого неподдерживаемого осевого участка вала может быть больше радиуса внутренней коренной шейки и равняться радиусу второго неподдерживаемого осевого участка вала. Радиусы двух внешних коренных шеек могут быть равны радиусу внутренней коренной шейки. Коленчатый вал может содержать две лопасти, которые напрямую прикреплены к первому неподдерживаемому осевому участку вала.
Коленчатый вал на Фиг. 1-15 для однорядного четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания может иметь четыре шатунных шейки, включая две внешние шатунные шейки и две внутренние шатунные шейки. Две внешние шатунные шейки могут иметь одинаковое радиальное положение, и две внутренние шатунные шейки могут иметь одинаковое радиальное положение, причем радиальное положение определяется относительно оси вращения коленчатого вала. Две внутренние и две внешние шатунные шейки могут быть радиально разделены на 180 градусов. Каждая из четырех шатунных шеек может быть напрямую соединена с отдельным поршневым шатуном.
Первый неподдерживаемый осевой участок коленчатого вала может соединяться с подшипником не напрямую. Блок цилиндров однорядного четырехцилиндрового двигателя может иметь только три постели коренного подшипника, в которых могут быть размещены три коренных подшипника, в которых помещен коленчатый вал. При этом коленчатый вал может иметь четыре шатунных шейки, соединенных с поршневыми шатунами, которые соединены с отдельными поршнями цилиндров двигателя.
Коленчатый вал на Фиг. 1-15 для однорядного четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания может содержать две внешние коренные шейки и одну внутреннюю коренную шейку. При этом внешняя коренная шейка и внутренняя коренная шейка вала находятся в механическом соединении с одним из трех коренных подшипников, в непосредственном контакте с внутренними кольцами отдельных подшипников коленчатого вала.
Коленчатый вал на Фиг. 1-15 для однорядного четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания может содержать первый шатунный противовес, имеющий единственную массу, расположенную на другой стороне от одной из четырех шатунных шеек. Между первой внешней коренной шейкой вала и внутренней коренной шейкой вала может быть расположен неподдерживаемый осевой участок вала, центральная ось которого выровнена относительно оси вращения коленчатого вала. С неподдерживаемым осевым участком вала могут быть напрямую соединены две лопасти, расположенные на радиально противоположных сторонах первого неподдерживаемого осевого участка вала. Кроме того, три постели коренного подшипника вала могут иметь отверстия для смазки.
Коленчатый вал на Фиг. 1-15 для однорядного четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания может содержать четыре шатунных шейки, соединенные с четырьмя поршневыми шатунами. Коленчатый вал также может содержать две внешние коренные шейки и внутреннюю коренную шейку, а также первый и второй неподдерживаемые осевые участки вала, расположенные по оси между одной из двух внешних коренных шеек и внутренней коренной шейкой вала. При этом центральные оси первого и второго неподдерживаемых осевых участков вала выровнены относительно оси вращения коленчатого вала.
Коленчатый вал на Фиг. 1-15 для однорядного четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания может содержать две одинаково радиально расположенные внешние шатунные шейки и две одинаково радиально расположенные внутренние шатунные шейки.
Необходимо отметить, что вышеописанные конструкции могут быть также использованы, например, в других типах однорядных двигателей, в оппозитных двигателях и V-образных двигателях.