CN101042170B

CN101042170B - 活塞式引擎的减振方法

Info

Publication number: CN101042170B
Application number: CN200610065577A
Authority: CN
Inventors: 朱心平
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-03-22
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2026-03-22
Also published as: CN101042170A

Abstract

本发明是关于一种活塞式引擎的减振方法，本发明揭示一种活塞式引擎的减振技术，其作法是在曲轴上制作两组轴承位置，内侧轴承固定曲轴箱与曲轴，外侧轴承固定曲轴与车架或变速箱上的固定座，此二组轴承位置并不同心，而具有一偏心量(offset)存在，利用此一偏心量所形成的机构组合，可在曲轴转动时造成引擎外部组件包括曲轴箱体、汽缸、汽缸头等产生振动，且令其外部组件的振动方向恰与“活塞-连杆”组的振动作用方向相反而互相抵消，因此可达到有效降低引擎振动。

Description

活塞式引擎的减振方法

技术领域

本发明是涉及一种活塞式引擎的减振方法，尤其涉及一种可对于单汽缸活塞式引擎或双汽缸活塞式引擎进行减振的方法设计。

背景技术

活塞式引擎在运转时因活塞的往复动作，常会伴随产生强烈的振动，因而设计者可采用四个汽缸以上的多汽缸设计，利用巧妙安排不同汽缸之间的正时相位差，而可让不同汽缸间的振动互相抵消，但，多汽缸的设计存在结构复杂、昂贵、体积庞大等许多缺点，并不适用于小功率引擎。

此外，为改善活塞式引擎振动问题的另一个可行方法是加装平衡轴，但是只加装一支平衡轴并不能有效减振，通常需要在曲轴的对称边上装设两支平衡轴，又由于“曲轴-连杆组”需要很大的活动空间，因此加装平衡轴会大幅增加曲轴箱的空间和重量，且易和引擎的其它组件产生干涉，例如和起动系统、离合器、变速箱组件等产生空间上的干涉，再者，加装平衡轴的成本很高，因此只有在极度需要时设计者才会考虑加装平衡轴。

又，解决活塞式引擎振动问题的另一个方法，可采用引擎悬挂机构加以克服，而此方法可将引擎的振动与车架隔离开来，于小型速克达机车，即常见此一应用方式。

再就单汽缸引擎为例，其振动问题的讨论，大致可分为活塞组以及曲轴组两个部位，其中，活塞组包括活塞、活塞环、活塞销、连杆小端等部位，其运动型态是往复运动，其速度与加速度的变化较复杂，而曲轴组则包括曲轴本体、配重块、连杆大端、连杆轴承等部位，其运动型态可以用一个有偏心配重的旋转刚体来近似，又因为转动不平衡的力量大小可以表示为Mrω²(M是偏心质量，r是偏心距离，是转速)，若不考虑转速的影响，通常引擎设计者会以力矩(M*r)的形式来讨论振动量的大小，该曲轴部分的转动不平衡力矩，即等于不平衡重量乘上偏心距离。

而活塞组的运动状况则较复杂，若将“曲轴-连杆-活塞-汽缸”考虑成一四连杆机构，则活塞相当于一滑块，当其运动时，其延着汽缸轴向(x方向)的惯性力矩可表示为曲轴角度θ的函数a(θ)，令活塞在上死点时的曲轴角度为θ＝0，若对a(θ)作傅立叶分析，可得到a(θ)＝a₁ cosθ+a₂ cos 2θ+…其中a₁称为一次矩，a₂称为二次矩，以此类推，该一次矩a₁的值为a₁＝M_ps/2，M_p是活塞头组的重量，s是活塞的冲程。

一般做引擎配重设计时通常只对一次矩做配平，如果要配平二次矩，必须加装一根转速为曲轴转速两倍的二次平衡轴，此种设计即十分罕见，此外，一般引擎设计者常用“配平率”来表示引擎的配重平衡状况，若是一具引擎的曲轴组(包括曲轴本体、曲轴销、配重块、连杆大端、连杆轴承等部位)本身刚好达成动态平衡，则此曲轴在转动时完全不会影响到活塞组的振动，其配平率即为0％，而若再增加曲轴配重块，则在曲轴处的转动不平衡力会抵消掉部分活塞的惯性力，但是当曲轴角度为θ＝90°或270°时，在曲轴处会产生额外的侧向振动力，而其配平率即是“曲轴处增加的转动不平衡力”与“活塞惯性力”的比值，会从0％逐渐增加，一直到超过100％。

发明内容

本发明设计目的在于，提供一种「活塞式引擎的减振方法」，利用一简单的偏心机构，造成引擎外部组件包括曲轴箱体、汽缸、汽缸头等产生振动，且引擎外部组件的振动方向恰与“活塞-连杆”组的振动方向相反而互相抵消，因此可达到有效降低引擎振动的目的。

为达成上述目的所采用的技术方案是提供一种「活塞式引擎的减振方法」，其引擎组成结构包括一活塞组、一曲轴组、一汽缸头组及一曲轴箱组，曲轴组具有一曲轴本体，曲轴本体具有左右两端部，于两端部上分别设置一延伸段，于左右延伸段上各设置两段可分别套设一轴承的内承载面及外承载面，内承载面的圆心与外承载面的圆心之间具有一偏心量，利用此一偏心量的设计，使引擎外部组件的汽缸头组、曲轴箱组于曲轴本体转动时能产生固定幅度的振动，且让振动方向恰与引擎内部所设置的活塞组及连杆的振动方向相反，且振动惯性力大小恰与活塞组及连杆的振动一次矩大小相等而互相抵消。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的局部立体分解图；

图2是本发明的组合剖视图；

图3是本发明的组合外观示意图。

具体实施方式

配合参看图1、图2及图3所示，本发明「活塞式引擎的减振方法」，其引擎组成结构包括一活塞组30、一曲轴组20、一汽缸头组40及一曲轴箱组10，曲轴组20具有一曲轴本体21，曲轴本体21具有左右两端部，于两端部上分别设置一延伸段22，于延伸段22上设置两段可分别套设一轴承15、16的内承载面221及外承载面222，内承载面221圆心与外承载面222圆心之间具有一偏心量h，利用此一偏心量h的设计，使引擎外部组件的汽缸头组40、曲轴箱组10于曲轴本体21转动时能产生固定幅度的振动，且让振动方向恰与引擎内部所设置的活塞组30及连杆34的振动方向相反，且振动惯性力大小恰与活塞组30及连杆34的振动一次矩大小相等而互相抵消。

上述引擎结构的活塞组30包括一活塞31、活塞31周面所设置的活塞环32、活塞31中所设置的活塞销33，以及用活塞销33枢接一连杆34的连杆小端341等部位。

上述引擎结构的曲轴组20包括一曲轴本体21、曲轴本体21上所设置的配重块23、配重块23端缘所设置的曲轴销24、以及用曲轴销24枢接于连杆34的连杆大端342及连杆轴承(图中未示)等部位。

上述引擎结构的汽缸头组40包括一汽缸41、设置于汽缸41顶端的汽缸头42及其内部所设置的火星塞、进排气机构、进气系统、排气系统头段(此皆为一般活塞式引擎所必备，非本发明特点，于图中未示)。

上述引擎结构的曲轴箱组10包括曲轴箱本体11及设置于曲轴箱本体11上的轴承15等。

所述的曲轴箱本体11具有一底板且底板周边形成封闭的壁面12，周边壁面12顶端形成一开口，而在曲轴箱本体11中形成一容置空间14，其一相对壁面12上形成凹弧部13，凹弧部13可供轴承15置设其中。

引擎结构的汽缸41底端相对壁面上形成凹弧部411，以及在汽缸41中设置一可供活塞31穿入的孔道，该孔道壁面即构成与活塞31周面接触的汽缸壁412，汽缸41设置在曲轴箱本体11顶端，可使凹弧部411套设在轴承15上。

配合参看图2所示，本发明的引擎结构中，在曲轴本体21一端延伸段22的内承载面221上设置一正时齿轮70，正时齿轮70上可绕设一链条(图中未示)，该链条可绕设于引擎进排气系统上所设置的凸轮轴齿轮(图中未示)，使曲轴本体21旋转时可带动凸轮轴旋转，而可对于引擎油气输入及废气排出的进排气阀门进行启闭操控。

配合参看图2及图3所示，本发明设计的引擎结构和变速箱体是形成互相独立的设计，引擎结构可利用曲轴本体21一端部延伸段22的外承载面222枢设在车架60固定座61中，以及利用另端延伸段22的外承载面222枢设在变速箱体80的固定座81中，以及在另端延伸段22的外承载面222上设置一传动齿轮82，使引擎启动后的汽油与空气混合及点火燃烧所产生的热能推动活塞32往复运动时，可以带动连杆34推动曲轴本体21进行旋转，使旋转动力可经由传动齿轮82向外传递。

亦即，应用本发明方法时，引擎外壳部分会产生固定幅度的振动，因此，不能将引擎外壳直接固定，而是以曲轴本体21两端延伸段22做为引擎定位设置，当曲轴本体21转动时，活塞组30和汽缸头组40都会产生往复式的运动，所以本发明设计目标，就是要让这两组的振动互相抵消，再让曲轴组20和曲轴箱组10(回转式运动)的转动不平衡力能互相抵消。

配合参看图2及图3所示，为了能使活塞组30和汽缸头组40的振动能互相抵消，必须要有一机构使汽缸头组40的运动特性和活塞组30相似，例如，将引擎的汽缸头42部位以一摇臂式活动连杆50与外界连接，此摇臂式活动连杆的方向垂直于汽缸41方向，其目的是使汽缸头组40只能沿汽缸41方向运动，如此汽缸头组40的振动才能正确抵消活塞组30的振动。

本发明对于活塞组30和汽缸头组40所产生往复式运动而振动的抵消方法为：首先令活塞组30的重量为M_p，汽缸头组40的重量为M_h，若活塞31相对于外承载面222的冲程为s(偏心量为s/2)，而内承载面221与外承载面222之间的偏心量为h，则曲轴本体21转动时，汽缸头组40之惯性力矩可用A(θ)＝M_h·hcosθ来近似，而活塞组30之惯性力矩的一次矩部分则是

如此，即可算出偏心量

时，汽缸头组40所产生的振动力矩恰可和活塞组30振动之1次矩互相抵消(A(θ)＝-a₁(θ))。此处负号表示此偏心量h的方向和连杆大端342方向相反，如此一来，可使活塞组30的振动量刚好和汽缸头组40的振动量相互抵消。

又，本发明实施例中，其抵消曲轴部分转动不平衡力所产生的振动方法，可令曲轴箱组10的重量为B，则曲轴本体21转动时，曲轴箱组10会产生Bhω²的转动不平衡力，因此，可设计曲轴本体21上的配重块23，而在不考虑转速ω影响时，使曲轴本体21上的配重块23所形成的力矩为M*r＝-Bh，应注意此时配重块23较一般常见的小，且曲轴组在转动时不但不能用来抵消活塞31的振动，还要和活塞30同方向振动，也就是说，此时曲轴的配平率是负值，如此一来，曲轴组20和曲轴箱组10的转动不平衡力大小相等方向相反而能互相抵消.

又，本发明设计完成后，活塞31的实际行程会因为偏心量h而增加，实际上活塞的压缩行程增加为s+2h。

为能有效使用本发明技术进行引擎减振，于设计引擎时，应尽量增加汽缸头组40的重量，减轻曲轴箱组10的重量，因此可将油泵、水泵、起动马达等零件尽量配置于汽缸头42上。

又，本发明设计的曲轴本体21一侧端可接设马达加以驱动，使曲轴本体21旋转带动连杆34及推动活塞31往复运动，而可利用活塞31压缩汽缸壁412中的空气，以及将此一压缩空气予以收集在气筒中而构成活塞式压缩机，其减振方式，同样适用上述发明方法，因此，本发明方法通过由以上较佳具体实施例的详述说明，希能更加清楚描述本发明特征与精神，而并非以上述揭露的较佳具体实例为限，举凡合乎上述方法的内容，皆能涵盖于本发明设计的精神领域当中。

Claims

1.一种活塞式引擎的减振方法，其引擎组成结构包括一活塞组、一曲轴组、一汽缸头组及一曲轴箱组，其特征在于：曲轴组具有一曲轴本体，曲轴本体具有左右两端部，于两端部上分别设置一延伸段，于延伸段上设置两段可分别固定一轴承的内承载面及外承载面，内承载面圆心与外承载面圆心之间具有一偏心量，利用此一偏心量的设计，使引擎外部组件的汽缸头组、曲轴箱组于曲轴本体转动时能产生固定幅度的振动，且让振动方向恰与引擎内部所设置的活塞组及连杆的振动方向相反，且振动惯性力大小与活塞组及连杆的振动一次矩大小相等而互相抵消。

2.根据权利要求1所述活塞式引擎的减振方法，其特征在于：所述曲轴本体端部延伸段上所设置的内承载面圆心至外承载面圆心的偏心量h设计，令活塞组的重量为M_p，汽缸头组的重量为M_h，活塞的冲程为s，而能得出其偏心量

此处负号表示此偏心量h的方向和连杆大端方向相反。

3.根据权利要求2所述活塞式引擎的减振方法，其特征在于：抵消曲轴部分转动不平衡力所产生的振动方法，是令曲轴箱组的重量为B，当曲轴本体转动时，曲轴箱组会产生Bhω²的转动不平衡力，即设计曲轴本体上的配重块，而在不考虑转速ω影响时，设计曲轴本体上的配重块所形成的力矩为M*r＝-Bh，其中，M是配重块的偏心质量，r是配重块的偏心距离，此时配重块较一般常见的小，且曲轴组在转动时不但不能用来抵消活塞的振动，还要和活塞同方向振动，此时曲轴的配平率是负值，而曲轴组和曲轴箱组的转动不平衡力大小相等方向相反，故能互相抵消。

4.根据权利要求3所述活塞式引擎的减振方法，其特征在于：所述活塞的实际行程会因为偏心量h而增加，实际上活塞的压缩行程增加为s+2h。

5.根据权利要求4所述活塞式引擎的减振方法，其特征在于：活塞式引擎的减振方法适用于活塞式压缩机。