CN101099051A - 内燃发动机用惯性飞轮 - Google Patents
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Abstract
内燃发动机用的惯性飞轮(1),该飞轮包括一环形转动惯性质量体(22),所述质量体通过一联接部件(14)固定在所述发动机的曲柄轴(4)的一端,所述联接部件(14)的抗扭刚度小于单一曲柄轴(4)的抗扭刚度,从而固定在所述飞轮(1)上的所述曲柄轴(4)的固有扭转频率减小,同时该固有扭转频率保持大于发动机缸中一系列燃烧所产生的第一频率。
Description
技术领域
[01] 本发明涉及一种用于内燃发动机特别是机动车内燃发动机的惯性飞轮。
背景技术
[02] 已经知道使用一种刚性飞轮,这种飞轮具有很大的转动惯性,并且在曲柄轴与一传动装置之间固定于曲柄轴的一端,以便驱动轮子,尤其是驱动机动车轮子。这种刚性飞轮的作用是调节曲柄轴的转速。发动机缸内的燃烧产生一系列的瞬时扭矩峰值,惯性飞轮把所述瞬时扭矩转换为一振动大大减小的平均扭矩,以减小振动。
[03] 该惯性飞轮形成一固定在曲柄轴上的质量体(masse),从而曲柄轴-飞轮组件形成一具有固有振动频率的质量体-弹簧系统,其中所述曲柄轴具有一定的抗纵向弯曲刚度。为了改变该频率并减小曲柄轴中的弯曲应力,已经知道使用一种弯曲柔性飞轮,其由一惯性环冠和一与曲柄轴连接的环形构件构成,这种飞轮沿一与转轴垂直的轴线具有一定的弯曲柔性。
[04] 文件FR-A-2849683中描述了一这种类型的惯性飞轮。环冠与曲柄轴之间的连接机构包括至少两个具有弯曲特性的臂,并且连接构件例如由切割板件制成。这些臂具有非常强的抗绕转轴扭转的刚性,根据发动机的运行条件,这样会在曲柄轴中产生很大的扭转应力,特别是对于高转速。
[05] 人们还提出加入通过弹簧固定在曲柄轴本身上的重块。这些重块形成振动缓冲器,它们可以通过反作用减小曲柄轴中的扭转应力。这些重块的装配表现为更大的尺寸和增加的复杂性。
发明内容
[06] 本发明的目的尤其是避免这些缺点,并且提出一种解决减小曲柄轴中应力的简单、有效且经济的方法。
[07] 特别是,本发明的目的是一种具有一定扭转柔性并且能以经济的方式制成的惯性飞轮。
[08] 为此,本发明提出一种内燃发动机用惯性飞轮,该飞轮包括一环形转动惯性质量体,所述质量体通过一联接部件固定在所述发动机的曲柄轴的一端,所述联接部件的抗扭刚度小于单一曲柄轴的抗扭刚度,从而固定在所述飞轮上的所述曲柄轴的固有扭转频率减小,同时该固有扭转频率仍保持大于发动机缸中一系列燃烧所产生的第一频率。
[09] 符合本发明的惯性飞轮的主要优点是:联接部件的扭转柔性可以使由曲柄轴传递的一部分扭转振动脱离,由曲柄轴产生的瞬时扭矩不再直接施加到一刚性飞轮上,而是施加给一可扭转变形的中间零件,从而曲柄轴中的扭转应力在某些运行条件下减小。
[10] 本发明的另一优点在于固定在惯性飞轮上的曲柄轴的固有扭转频率仍大于发动机缸内一系列燃烧所产生的第一频率,因而不存在由所述第一频率激发所述曲柄轴的固有频率。
[11] 在本发明的一优选实施例中,联接部件由切割板材形成,并形成一包括一系列呈圆周分布的开口的环圈。
[12] 根据本发明的另一特征,所述环形惯性质量体在径向地位于所述所述联接部件的开口与其外周边之间的区域被固定至所述联接部件。
[13] 根据本发明的又一特征,所述开口被径向的臂呈圆周地分开,这些臂可在一垂直于所述转轴的平面中弯曲变形。所述的惯性质量体固定区域至少部分地位于一半径上,该半径小于所述臂的最大半径。
[14] 在本发明的一优选实施例中,切割板材制成的联接部件包括5到9个开口,并且厚度介于2mm到6mm之间,所述臂的宽度介于4mm到30mm之间。
[15] 根据一实施变型,该惯性飞轮包括一垂直于所述转轴的优先振动轴线,该轴线相对于所述曲柄轴呈角度地定位,所述联接部件的刚性较小,以便绕该轴线进行弯曲。
[16] 在这种情况下,该惯性飞轮包括两个双型臂,这两个双型臂沿所述优先振动轴线对齐,并延伸在所述转轴的各侧。
[17] 所述双型臂可以被一径向隙口分开,所述隙口的径向尺寸基本等于所述开口的径向尺寸。
[18] 根据一实施变型,所述联接部件包括臂,这些臂在一垂直于所述转轴的平面中相对于一径向方向倾斜。臂的倾斜所导致的臂的最大长度会减小轴向刚性,且有利于一扭转方向,这样可以更好地过滤不对称的扭转振动。
[19] 有利地,惯性飞轮包括一扭转和/或弯曲振动缓冲部件。该缓冲部件可以包括一盘形环圈,该环圈在联接部件与惯性质量体之间被轴向地预加应力,或者作为变型,所述缓冲部件包括爪,这些爪在所述联接部件的柔性板材中切割而成,它们在该柔性板件的开口中延伸,且支靠在所述惯性质量体上,或者在另一变型中,所述缓冲部件包括一环圈,所述环圈与联接部件连在一起,并包括一系列爪,这些爪平行于所述转轴地弯曲且它们带弹性预应力地径向支靠在所述惯性质量体的一孔的柱形壁上。
[20] 根据本发明的一有利特征,正常运转并固定在惯性飞轮上的曲柄轴的固有扭转振动频率大于300Hz。
[21] 总之,符合本发明的惯性飞轮可以构成一单飞轮,或者构成一双缓冲飞轮的第一飞轮。该飞轮可以安装在一由铸铁制成的曲柄轴上,该铸铁曲柄轴比锻钢曲柄轴的成本更低。
附图说明
[22] 通过阅读下面作为例子给出并参照附图进行的详细描述,可以更好地了解本发明,并且本发明的其它特征和优点也更加清楚地体现出来,
附图如下:
[23] -图1是一安装在曲柄轴端部的刚性飞轮的原理示意图;
[24] -图2是一安装在曲柄轴端部的弯曲柔性飞轮的原理示意图;
[25] -图3是一安装在曲柄轴端部的弯曲及扭转柔性飞轮的原理示意图;
[26] -图4是一符合本发明的飞轮透视图;
[27] -图5是一符合本发明一实施变型的飞轮联接部件的正视图;
[28] -图6是符合本发明另一实施变型的飞轮正视图;
[29] -图7是一包括一缓冲部件的扭转柔性飞轮的剖面图;
[30] -图8是扭转柔性飞轮沿图9中的线A-A的剖面图,该飞轮包括一符合一变型的缓冲部件;
[31] -图9是图8飞轮的正视图;
[32] -图10是一扭转柔性飞轮的剖面图,该飞轮包括一符合另一变型的缓冲部件;
[33] -图11是图10飞轮的缓冲环圈的透视图。
具体实施方式
[34] 图1的原理图表示一刚性惯性飞轮6,其一般由铸铁制成并且固定在一内燃发动机、特别是机动车内燃发动机的曲柄轴4上。该飞轮一般包括一带来大惯性的厚度更大的径向外部5、和一在该径向外部5与曲柄轴4之间的联接部件7。该联接部件7通过一些未示出的螺钉固定在曲柄轴4的一端上,这些螺钉沿一对中于转轴上的圆进行布置。
[35] 图2的原理图表示一弯曲柔性惯性飞轮12,该飞轮包括一通常由铸铁制成的环冠8,该环冠固定在一环形板件10的外周边上。通过螺钉固定在曲柄轴4上的所述板件10使飞轮12具有柔性,从而允许绕一轴线——其垂直于曲柄轴的轴线——进行弯曲,并表现出一种喘振运动(mouvement de pompage),也就是飞轮平行于自身地移动运动。
[36] 刚性飞轮6和弯曲柔性飞轮12具有很大的抗扭刚度,其一般大于5×106Nm/rad,并且固定在飞轮上的曲柄轴4端部的角加速度实际上与飞轮的角加速度相同。
[37] 图3示意性表示一符合本发明的弯曲及扭转柔性惯性飞轮13。该飞轮包括一固定在一联接部件14的外周边上的惯性环冠8,所述联接部件14和前面一样通过螺钉被固定在曲柄轴4上,且它在图2飞轮的弯曲和喘振柔性中增加了曲柄轴4的端部与惯性环冠8之间的一扭转柔性。
[38] 对于四缸直排发动机,曲柄轴的抗扭刚度大约为105到106Nm/rad。符合本发明的飞轮13的抗扭刚度约为104到105Nm/rad,因此比曲柄轴的抗扭刚度小至少十倍。联接部件14在一扭矩的作用下承受一角变形,且因此曲柄轴4端部的角加速度与惯性环冠8的角加速度不同。
[39] 运行时,由发动机缸内的燃烧所产生的力通过活塞和连杆传递给曲柄轴的轴颈,并且产生一通过飞轮传递给机动车传动装置的驱动振动扭矩。曲柄轴处的瞬时扭矩峰值可能比平均扭矩高四倍。在图1的刚性飞轮6的情况下,曲柄轴4的端部与一能承受的大转动惯性连接,且最大扭转应力位于曲柄轴的这一端。
[40] 在符合本发明的扭转柔性飞轮13的情况下,曲柄轴4的端部与柔性联接部件14连接,该联接部件跟随着瞬时振动扭矩发生变形。该柔性联接部件14沿曲柄轴轴线的抗扭刚度明显小于曲柄轴4的抗扭刚度,且因此在扭矩峰值时所述联接部件将承受最大的角变形。在动态运行时并且根据转动速度,可以发现:曲柄轴承受较小的角变形,动态扭矩(coupledynamique)以及它的扭转内应力减小。
[41] 联接部件14本身具有一抗扭刚度,该抗扭刚度经计算以使得:固定在飞轮13上并且正常运行的曲柄轴的固有扭转频率大大减小,同时该频率保持大于发动机缸中一系列燃烧所产生的第一频率(premièrefréquence)。在一四缸及四冲程循环内燃发动机的情况下,燃烧产生的所述第一振动频率为2阶(ordre)。曲柄轴-飞轮组件的固有频率应保持大于2阶,所述2阶例如对于6000转/分钟的转速则为200Hz。因此该固有频率大于200Hz,例如等于300Hz,以便很好地摆脱(se démarquer)燃烧产生的频率。
[42] 如果4阶所产生一强的非周期性(acyclisme)——对于柴油发动机则可能是这种情况,将选择曲柄轴-飞轮组件的固有频率大于330Hz,例如等于500Hz。
[43] 图4表示一符合本发明的扭转及弯曲柔性飞轮13的实施例。该飞轮13包括一铸铁惯性环冠22,环冠22在其径向外部上的厚度较大。该环冠通过一厚度减小的部分向中央延长,可以在一板材制成的柔性环圈24下面看到该厚度减小的部分。惯性环冠22在其外周边包括一齿冠20,该齿冠用于被一起动装置的小齿轮驱动。
[44] 柔性环圈24对中,并通过一系列规则分布在环圈24周边上的固定部件26如螺钉或铆钉被刚性地固定在所述惯性环冠22上。柔性环圈24包括一中心孔30,该中心孔被一系列规则分布的孔眼28包围。环圈通过与曲柄轴端部的突肩配合的孔30对中,并且通过一些在孔眼28中通过的螺钉被固定在曲柄轴上。
[45] 柔性环圈24在其中间部分包括一些相同的开口38,这些开口呈圆周分布,并且被一些径向臂32分开。这些开口的整体形状呈梯形,梯形的边通过连接半径34、36互相连接,而梯形的大底位于外周边一侧。每个所述的环冠22固定部件26位于一开口38的径向轴线上,并在梯形的大底与环圈24的外周边之间。所述大底向环圈中央弯曲,以便避绕过固定部件26,该固定部件26至少部分地位于一小于臂32的最大半径的半径上。
[46] 每个带有基本平行的或弯曲凹陷的边缘的径向臂32包括扩宽端部,所述扩宽端部由开口38的连接半径34、36形成。
[47] 柔性环圈24可以是平坦的,或者按照已知的方式是冲压而成的并带有轻微的突起,以便解决尺寸或刚性的问题。
[48] 符合本发明的飞轮13的运行如下。环圈24可以沿一些位于一横向平面中的轴线弯曲变形。实际上,组合有开口38的该环圈24的小厚度可以使惯性环冠22进行一种相对曲柄轴端部的弯曲运动和一种沿转轴的喘振运动。对于这些运动,环圈24的臂32主要沿厚度发生弯曲。作为一级近似(première approche),通过使用梁弯曲计算,环圈24的厚度以三次方起作用,且臂的宽度以一次方起作用,并且因此主要是臂的厚度决定飞轮13的弯曲和喘振刚性。
[49] 开口38还使环圈24具有扭转柔性,因为当环圈24绕转轴扭转变形时,臂32也沿它们的宽度发生弯曲,并且成“S”形变形。作为一级近似,所述臂32的宽度以三次方起作用,而它们的厚度以一次方起作用,从而主要是臂的宽度决定飞轮13的抗扭刚度。臂的连接半径34、36是很重要的,因为它们可以在扭转变形时确定在臂32中产生基本恒定应力的剖面。
[50] 臂32的长度也在环圈24的弯曲和抗扭刚度计算中起作用。根据上面阐述的计算原理,臂32的厚度和宽度构成两个独立的参数,它们可以根据所考虑的理论值确定环圈24的两个弯曲及扭转刚度。
[51] 符合本发明的飞轮13的环圈24的厚度优选为2mm到6mm,并包括5到9个宽度为4mm到30mm的臂。可以通过改变开口38与柔性板件24的外轮廓之间的最小径向距离来调节臂的长度,并且该长度优选为5mm到20mm之间。对于一组件——其由固定在飞轮13上的正常运行的曲柄轴形成——的为500Hz的固有扭转频率而言,其计算例子达到9个臂,所述臂的厚度为4mm,宽度为10mm,且最小径向尺寸为15mm。
[52] 符合本发明的飞轮的一重要优点为它的制造简单,因为与图2的弯曲柔性飞轮相比,它不需要任何辅助的零件。同一板材环圈起着柔性连接的作用,并且还由于切割的附加开口38而具有扭转柔性功能。
[53] 为了保持等效的弯曲柔性,由于开口38增加的柔性,板件的厚度更大,且例如从2.5mm到4mm或5mm。这个更大的厚度是一优点,因为在某些情况下,它可以避免使用一厚度垫块,该垫块在板件厚度稍小时通常插置在环圈24与曲柄轴上的固定螺钉头部之间,以便保证螺钉的良好固定。
[54] 由符合本发明的扭转柔性飞轮13带来的曲柄轴中的应力、特别是剪应力的减小,对于同一曲柄轴而言,可以提高发动机的性能,或者对于相等性能而言则可以简化曲柄轴的制成,可减轻曲柄轴,或使用一种更经济的材料例如铸铁而不是锻钢。可以通过计算确定所述应力,或者通过为扭转柔性飞轮装配应变仪来确定该应力。
[55] 图5表示柔性环圈的一实施变型。和前面的实施例一样,该环圈50包括一些被单分支型臂32分开的开口38、一中心孔30和一些使固定螺钉通过的孔眼28。
[56] 该环圈50的外周边包括一些用于固定惯性环冠的孔眼52。这些孔眼52相对于每个开口的轴线成对对称地形成在朝转轴取向、且突起在开口38中的凸边缘上。
[57] 与图4的环圈24不同的是,环圈50包括两对径向延伸在转轴两侧的双型臂54。每对双型臂54包括两个平行的臂,这两个臂被一带圆形端部的径向隙口56分开。
[58] 包括环圈50的扭转及弯曲柔性飞轮结合了本发明的优点和文件FR-A-2849683的优点。实际上,由于所述飞轮的单型臂32或双型臂54,该飞轮因而是扭转柔性的。弯曲时,该飞轮有一优先振动轴线,该轴线垂直于飞轮的转轴,由所述双型臂54确定:抗绕该轴线弯曲的刚度更小,且抗绕一垂直轴线弯曲的刚度更大,因为在这种情况下,在抵抗一更大阻力的双型臂处会产生更大的变形。
[59] 根据上述文件的教导,该优先轴线相对于曲柄轴呈角度地定位在一由固定螺钉通过孔眼28确定的位置,以便使飞轮根据曲柄轴轴颈的位置具有更大的弯曲柔性。通过同一切割板材以简单、经济的方式得到的这个组合有扭转柔性的优点。
[60] 图6表示柔性环圈的另一实施变型。根据该变型,联接部件的环圈62包括一些被臂60分开的开口64、一中心孔30、一些在曲柄轴上进行固定的螺钉的通过孔眼28和在一环形质量体即惯性环冠22上进行固定的部件26。
[61] 臂60分别通过半径34和36连接至板件62的径向内部分和径向外部分。与图4的环圈24的臂不同的是,臂60在一垂直于转轴的横向平面中相对于一径向方向倾斜。这种倾斜可以形成更长的臂60,这样使该飞轮具有更小的抗弯和喘振刚度。另外,抗扭刚度曲线可以根据施加一正的或负的扭矩而不同。曲线中小的不对称性可以使该刚性适应于一发动机缸内燃烧所提供的扭矩峰值,该扭矩峰值本身也是不对称的。人们另外注意到,臂60的倾斜形状可以减小这些臂60中的来自发动机扭矩的应力。
[62] 一般地,一扭转及弯曲柔性飞轮可以与一弯曲和扭转振动缓冲部件进行组合。图7表示这种由一盘形环圈(rondelle Belleville)70构成的缓冲部件的第一实施例,环圈70的径向内周边支靠在板件24上,且它的径向外周边支靠在惯性环冠22上。该盘形环圈被轴向地施加预应力。弯曲和喘振振动导致支靠点径向移动,并且扭转振动产生角位移,这导致摩擦,而所述摩擦产生有效的缓冲,特别对于限制大的游间行程和减小板件24中的应力是有效的。
[63] 图8和9表示缓冲部件的一变型。在该变型中,惯性环冠22由一弯曲和扭转柔性板件80支承,板件80包括一些开口84,其中每个开口包括一径向爪82,所述径向爪与所述开口的内周边连接并向外延伸。每个爪在一转轴通过的平面中略成拱形,从而它的自由端86带弹性预应力地支靠在环冠22的一表面上。
[64] 和第一实施例一样,弯曲、喘振和扭转振动导致径向爪86的端部88在惯性环冠22上摩擦,这样产生缓冲作用。
[65] 图10和11表示缓冲部件的另一变型。惯性环冠22由一包括开口的弯曲和扭转柔性环形板件90支承。一缓冲环圈92包括一平坦径向部分98,该部分支靠在板件90上并且被螺钉保持,所述螺钉使用与板件90上的孔眼对齐的固定孔眼94,以便把这两个组成零件固定在曲柄轴的端部上。在另一实施例中,在曲柄轴螺钉的头部、环形板件90、和环圈92的平坦径向部分98之间加入一垫块。
[66] 环圈92的所述平坦部分的外周边包括一系列规则地呈圆周分布的、且平行于转轴地弯曲的爪96。这些爪带有弹性预应力地支靠在惯性环冠22的中心孔100的柱形壁上。当弯曲、喘振或扭转振动之后,在板件90的毂部与惯性环冠22之间存在一相对运动时,该径向支靠产生摩擦,且因此产生缓冲。该实施例的一优点是没有任何附加的轴向负荷在板件90上施加以应力,否则这些应力会添加在因振动而产生的应力中。
[67] 符合本发明的扭转柔性飞轮可以用作一支承一离合机构的单飞轮,或者用作一双缓冲飞轮的第一飞轮。总之,扭转柔性连接环圈24、50可以用于在一曲柄轴与一任何旋转惯性质量体之间进行的连接中,所述旋转惯性质量体例如为一驱动一自动传动装置的流体动力扭矩转换器。另外,扭转柔性联接部件可以不采用切割板件制成,而例如由一包括带适配截面的臂的铸铁零件形成。
Claims (19)
1.内燃发动机用惯性飞轮,该飞轮包括一环形转动惯性质量体(22),所述质量体通过一联接部件(14)固定在所述发动机的曲柄轴(4)的一端,
其特征在于,所述联接部件(14)的抗扭刚度小于单一曲柄轴(4)的抗扭刚度,从而固定于所述飞轮(1)的所述曲柄轴(4)的固有扭转频率减小,同时该固有扭转频率仍保持大于发动机缸中一系列燃烧所产生的第一频率。
2.如权利要求1所述的惯性飞轮,其特征在于,所述联接部件(14)由切割板材(24、50)制成。
3.如权利要求1或2所述的惯性飞轮,其特征在于,所述联接部件(24、50)是一环圈,所述环圈形成有一系列呈圆周分布的开口(38)。
4.如权利要求3所述的惯性飞轮,其特征在于,所述环形转动惯性质量体(22)在位于所述联接部件(14)的每个开口(38)与其外周边之间的区域被固定至所述联接部件(14)。
5.如权利要求3或4所述的惯性飞轮,其特征在于,所述开口(38)被径向的臂(32、54)呈圆周地分开,这些臂(32、54)可在一垂直于所述飞轮转轴的平面中弯曲变形。
6.如权利要求4和5一起所述的惯性飞轮,其特征在于,所述的环形惯性质量体固定区域至少部分地位于一半径上,该半径小于所述臂(32、54)的最大半径。
7.如权利要求3至6中任一项所述的惯性飞轮,其特征在于,所述联接部件(24、50)包括5到9个开口。
8.如权利要求5至7中任一项所述的惯性飞轮,其特征在于,所述的由切割板材制成的联接部件(24、50)的厚度介于2mm到6mm之间;并且,所述臂(32、54)的宽度介于4mm到30mm之间。
9.如上述权利要求中任一项所述的惯性飞轮,其特征在于,该飞轮包括一垂直于所述转轴的优先振动轴线,该轴线相对于所述曲柄轴(4)呈角度地定位,所述飞轮的刚性较小,以便绕该轴线进行弯曲。
10.如权利要求9所述的惯性飞轮,其特征在于,该飞轮包括两个双型臂(54),这两个双型臂沿所述优先振动轴线对齐,并径向地延伸在所述转轴的各侧。
11.如权利要求10所述的惯性飞轮,其特征在于,所述双型臂(54)包括一径向隙口(56),所述隙口的径向尺寸基本等于所述开口(38)的径向尺寸。
12.如权利要求5至9中任一项所述的惯性飞轮,其特征在于,所述联接部件(62)包括臂(60),这些臂在一垂直于所述转轴的平面中相对于一径向方向倾斜。
13.如上述权利要求中任一项所述的惯性飞轮,其特征在于,该飞轮包括一扭转和/或弯曲振动缓冲部件(70、82、92)。
14.如权利要求13所述的惯性飞轮,其特征在于,所述振动缓冲部件包括一盘形环圈(70),所述盘形环圈在所述联接部件(24)与所述惯性质量体(22)之间被轴向地预加应力。
15.如权利要求13所述的惯性飞轮,其特征在于,所述振动缓冲部件包括爪(82),这些爪在所述联接部件(80)中切割而成,且它们在该联接部件的开口(84)中突出,以便支靠在所述惯性质量体(22)上。
16.如权利要求13所述的惯性飞轮,其特征在于,所述振动缓冲部件包括一环圈(92),所述环圈(92)包括一系列弯曲的爪(96),这些爪平行于所述转轴地延伸,且它们带弹性预应力地支靠在所述惯性质量体(22)的一孔(100)的柱形壁上。
17.如上述权利要求中任一项所述的惯性飞轮,其特征在于,正常运行且固定于所述惯性飞轮(1)的所述曲柄轴(4)的固有扭转振动频率大于300Hz。
18.如上述权利要求中任一项所述的惯性飞轮,其特征在于,该飞轮构成一单飞轮,或者构成一双缓冲飞轮的第一飞轮。
19.如上述权利要求中任一项所述的惯性飞轮,其特征在于,该飞轮安装在一由铸铁制成的曲柄轴上。
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