CN101218425A - 特别用于摩托车或四轮驱车的四冲程单缸液冷内燃发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四冲程单缸液冷内燃发动机，其包括能够在单个汽缸内往复运动的单个活塞，该活塞通过连接杆连接到机轴并驱动携带至少一个平衡重的平衡轴，以及至少一个用于通过计时链或者计时带驱动气阀机构的凸轮轴，其特征在于，所述机轴通过1∶1的传动比驱动所述平衡轴，并且所述平衡轴还驱动所述气阀机构和冷却剂循环回路的水泵。

Description

特别用于摩托车或四轮驱车的四冲程单缸液冷内燃发动机

技术领域

本发明涉及单缸液冷内燃发动机，尤其涉及具有多功能平衡轴的内燃机，该多功能平衡轴不仅用于控制发动机的震动，还用于直接驱动至少凸轮轴和冷却剂循环回路的水泵，从而为摩托车、四轮驱车或微型汽车提供自点火式内燃发动机或火花点火式发动机。

背景技术

平衡轴的最简单形式为简单的重量偏心轴，用于抵消不平衡发动机的振动。

这些平衡轴大多用于内燃发动机，但也可以用于任何内燃发动机，这是因为无论多么好的内部部件都不可能消除内燃发动机设计所固有的一阶和二阶振动。活塞和连接杆的往复运动以及机轴的旋转产生作用于发动机机体上的惯性力，并使发动机机体以各种模式振动。最明显的力在机轴每转一转时出现一次或两次，这个出现一次和两次的力分别被称为一阶发动机力和二阶发动机力。

一阶振动是完全不平衡的，其产生的原因是活塞在上止点和下止点处改变方向时的往复运动。

这产生了关于平衡轴的基本概念，该平衡轴具有相同尺寸和相位的偏心重量，从而其反转的惯性作用产生一个与该基本发动机的一阶振动大小相等且相位相差180°的一个净力，从而消除了该一阶振动。

发明内容

本发明的目的在于通过重新配置和组合传统发动机的元件，尤其是通过使用多功能平衡轴，来降低发动机的总重量并增加发动机的整体紧凑性。

本发明通过改变普通的平衡轴使其被更有利地放置以节省空间并减少中间零件，从而实现上述目的。该平衡轴自身通过计时带或计时链(用于火花点火发动机)驱动凸轴，并同时直接驱动水泵轴和叶轮(用于液冷发动机)，从而减少了发动机中零件的数量，并因此减轻了重量和降低了复杂性，从而提高了可靠性。

传统的平衡轴一般需要相对大的包络空间，使其无法容易地紧凑安装到曲柄箱腔室内。它们一般具有位于中部的偏心重，该偏心重一般是整体地形成于平衡轴上。设置在平衡轴上的如机轴驱动平衡轴所需的驱动齿轮和链轮齿为分离的零件，这些分离的零件一般在组装过程中被固定。不同地，本发明在曲柄箱腔室内非常靠近机轴的位置上一体成型，使得本发明占用最小的空间，并产生无数的优点，如可以更安静的运行且需要较少的零件。

减少零件的数量是非常重要的，因为这可以产生更紧凑且更轻的发动机，并提高功率重量比和发动机响应。减少零件数量的方案在于设计可以完成多于一个单一目标功能的零件。

四冲程单缸液冷内燃发动机包括可以在单个汽缸内往复运动的单个活塞，该活塞通过连接杆连接到可以绕第一横轴旋转的机轴并驱动携带至少一平衡重的平衡轴绕平行于所述第一横轴的第二横轴旋转，以及至少一用于通过计时链驱动气阀机构的凸轮轴。本发明通过在曲柄轴箱中设置机轴以1∶1的传动比驱动平衡轴，从而提供了一种多功能平衡轴。所述平衡轴还直接驱动气阀机构和冷却剂循环回路的水泵。

为了减轻重量，所述平衡轴为中空的以在几乎不损失强度和硬度的情况下减轻重量。平衡轴的一个端部上还具有整体式链轮齿和整体式小齿轮，其中所述整体式链齿用于驱动计时链，而所述整体式小齿轮由机轴驱动，并且所述小齿轮与所述链轮齿的齿数相同。

此外，在所述链轮齿和小齿轮之间设置有一个硬化的圆柱表面，该硬化的圆柱表面与支撑该平衡轴的一个主轴承中设置在所述平衡轴的轴向端部上的轴承的滚动元件直接滚动接触。

为了进一步减轻重量并组合功能，小齿轮上设置有至少一个且优选地为多个孔，这些孔不对称地设置在小齿轮的侧面上以实现类整体式的平衡重。在该链轮齿的相对端部上进一步增设一个独立的偏心重。该偏心重固定在第二主平衡轴轴承和所述平衡轴的一个末端之间，其中该第二主平衡轴轴承紧靠支座固定并且所述末端通常包含垫圈和螺母。

在所述平衡轴的中空端部内安装有通过销定位和固定水泵轴的安装衬套，该水泵轴驱动水泵叶轮以使得平衡轴和水泵共轴旋转。

水泵通常为由油泵轴或者机轴通过齿轮或链直接驱动的独立元件。将水泵集成到平衡轴上可以减小了零件数量并进一步简化了发动机的结构。

这种结构的结果是，平衡轴可以有利地沿横向设置在水平平面中，该平衡轴大致平行于机轴的轴线并且纵向尽可能地靠近机轴的旋转包络(由机轴的外径限定)，该旋转空间本身为缸径和冲程比的函数。可以设置垂直位置以在保持这些齿轮之间直接啮合接触的同时最小化平衡轴到凸轮轴的距离，以最优化计时带或计时链的长度，并由此降低磨损。

可以折衷连接齿轮的尺寸(影响紧凑性)以及凸轮轴和平衡轴之间的计时带或计时链的长度，以在垂直方向上尽可能高地放置。即，降低部件顶点高度和到凸轮中心线的端面以缩短计时链。连接杆可以在超过机轴外径的前提下设置得尽可能短，以有助于整体上减小发动机的整体外部尺寸。

平衡轴通过两个具有相同齿数的齿轮直接连接到机轴。这些齿轮紧邻两个轴承设置以减小从一个轴传向另一个轴并最终作用到凸轮轴和气阀机构上的弯矩。这样，由于计时机构的准确性，大幅度地减轻了凸轮轴的磨损。

通过这些齿轮，平衡轴与机轴的旋转速度相同而方向相反，从而大幅度地减轻了发动机的一阶振动。由于机轴上与平衡轴的齿轮相啮合的齿轮设置在曲柄轴箱的腔内而不是设置在外面并通过带或链相连，可以大幅度地降低齿轮噪音。

附图说明

为了帮助完全理解本发明，下面参考附图对本发明的一个具体实施例进行详细说明，其中：

图1为发动机的一个实施例的右视图；

图2为发动机的一个实施例的左视图；

图3为发动机的内部非结构性部件的立体图；

图4为发动机在中心纵向平面上的剖视图；

图5为移除了离合器、水泵叶轮和盖子的发动机的右视图；

图6为在曲柄轴中心和平衡轴中心之间截取的曲柄箱腔室的剖视图；以及

图7a和图7b分别为整体平衡轴和安装有平衡重和安装衬套的平衡轴的立体图。

具体实施方式

本实施例为单缸内燃发动机、火化点火和液冷发动机的一种。

图1和图2分别为发动机特定实施例的右视图和左视图。图中清晰地示出了曲柄轴箱腔室1和汽缸盖2。图中同时示出了离合器盖3和发电机盖4，以及通过离合器内部连接到曲柄轴的小齿轮5。

图3示出了发动机的内部非结构性动力组件。点火线圈6沿大致垂直的方向设置在顶部，且大致平行于汽缸7的中心轴以及活塞8经过的运动。在火花塞9的前面和后面，沿大致垂直于竖轴和纵轴的横向安装两个凸轮轴10，该凸轮轴10控制气阀机构11和四个弹簧阀，该四个弹簧阀由两个进气阀12a和两个排气阀12b组成。两个凸轮轴10通过计时链或者计时带13连接到平衡轴14。平衡轴14通过整体式齿轮16直接连接到机轴15。机轴15、平衡轴14和凸轮轴10关于横轴大致相互平行地旋转。连接杆17联合机轴15的旋转运动和活塞8的大致垂直的往复运动，其中，该活塞8在汽缸7内运动(如图4所示)。

安装两个链导板18和一个张紧装置19，用于在链13的上游长度和下游长度上引导并适当地绷紧该计时链13。张紧装置19连接到前导板18，在回程(凸轮至曲柄)馈给发动机。通常，链张紧装置19设置在发动机的背面，但是由于凸轮轴10直接由平衡轴14而不是由机轴15驱动旋转，从而计时链13从发动机的相对方向馈入，并且因此发动机链的松弛部分位于发动机的前侧。

水泵叶轮20与其支撑轴承21一样直接连接到平衡轴14，从而它们具有相同的旋转横轴。

发电机22和离合器装置23设置在发动机的横向两侧，离合器23由设置在机轴15上的小齿轮24直接驱动，发电机22直接连接到机轴15。

图4示出了从中间平面截取的发动机的左侧横截面图，其中该中间平面与两个半曲柄轴箱，即左半曲柄轴箱25和右半曲柄轴箱26，的结合面相对应，从而只能看到左半曲柄轴箱25(参考图6)。图4清晰地示出了气缸盖2中的进气口27和排气口28，以及位于气缸7内“顶止点(TDC)”处的活塞8、连接杆17和机轴15，这意味着活塞8位于其行程的顶点处且连接杆17与大致垂直的方向对齐。图4中还清晰地示出了气缸中邻近燃烧室31的冷却通道30。

图4中特别明显的是平衡轴14设置在紧邻机轴15的位置上。平衡轴14沿大致平行于机轴15旋转轴的横向方向设置，且在纵向方向上与机轴15保持几何上允许的尽可能小的距离，平衡轴14在垂直方向上略高于机轴15旋转轴的位置，从而在最小化计时链13长度的同时，能够使齿轮16、32直接啮合。齿轮16与机轴15为一整体，而齿轮32与平衡轴14为一整体，且齿轮16和齿轮32的比例为1∶1。

图5为移除了外壳并且没有示出离合器23和水泵叶轮20的发动机的右视图。图中清晰地示出了计时链13和链导板18将凸轮轴飞轮33连接到平衡轴14，但是该发动机的独特之处在于，链条张紧装置19设置在发动机的前侧。可以看到，张紧螺栓34将链导板18连接在发动机的返回侧上，使得当拧紧螺栓34时，其向内推压链导板18，以对计时链13施加合适的张力。

图6为曲柄轴箱1通过垂直于纵轴的平衡轴14中心的截面图。从图中各部件的周围，尤其是机轴15周围的小间隙可以看出，所有零件都被紧紧地连接到一起以生产尽可能紧凑的发动机。

曲柄轴箱1由两个半曲柄轴箱25、26构成，该两个半曲柄轴箱25、26通过纵向平面在中部分开。平衡轴14沿大致平行于机轴15旋转轴的横向方向设置在这两个半曲柄轴箱之间。发电机22在左侧与机轴15旋转轴成一直线。在机轴15的另一端上设置有离合器23。

平衡轴14为单片的中空结构29’以减轻重量并减小其第一转动惯量，从而也有助于发动机加速中的快速响应时间，并且平衡轴14由球轴承35和针轴承36支承。针轴承36设置在位于平衡轴14的一个端部上的曲柄轴小齿轮32和计时链链齿38之间的硬化表面37上。针轴承36的辊子直接与硬化表面37滚动接触。

平衡轴14的封闭中空端部29内设置有用于定位并驱动水泵叶轮轴40的衬套39。水泵轴40安装在衬套39内部并通过销41固定在适当的位置，该销41横向穿过水泵轴40和衬套39的壁。销41还用于将力矩传递到叶轮20。水泵轴40由球轴承21支承，并通过邻近球轴承21设置的两个弹性挡圈42固定在适当的位置。在水泵轴轴承21和叶轮20之间设置有两个密封环43，用于防止冷却剂进入到曲柄轴箱腔室1中，并防止发动机机油泄露出发动机而与冷却剂混合。

在平衡轴14的另一端部上安装有偏心平衡重44，该偏心平衡重44在主曲柄轴箱腔室1的单独分隔室45内旋转。选择偏心平衡重44的几何结构和重量以消除发动机的一阶自由力。平衡重44紧邻第二球轴承支撑35设置，以减轻高速旋转时重量所产生的平衡轴14的弯曲。

平衡轴14的横向位置由平衡重44和球轴承35控制，球轴承35自身靠着轴14上加工形成的支座46设置。平衡轴14和平衡重44通过平衡轴14末端上的螺母47和垫圈48固定。

机轴15具有一整体式齿轮16以驱动紧邻机轴15的两个主支承轴承49中的一个设置的平衡轴14。这种将齿轮紧邻支承件设置的配置可以减小由可燃气体施加的传递到机轴15上的应力和应变，使得凸轮轴10具有更小的弯曲，从而不会影响凸轮轴计时，使阀12更精确。

图7a和图7b详细地示出了平衡轴14的结构。图7a示出了平衡轴14的单片结构，图7b示出了安装有平衡重44的平衡轴14以及设置在平衡轴14另一端部的安装衬套38和销41，其中所述平衡重44通过垫圈48和螺母47固定在适当的位置上。

平衡轴14的结构实质上为单片式的中空结构，主要用于减轻重量以降低第一转动惯量，并提高发动机的响应速度。平衡轴14的一端上设置有用于固定螺母的螺纹部50、用于可旋转地固定偏心平衡重44的花键槽51、用于安装球轴承35的表面52以及作为支撑部46的支座。

平衡轴14的另一端上设置有用于驱动计时链13的链轮齿38、用于固定针支撑轴承36的硬化表面37以及用于传递来自曲柄轴的扭矩的齿轮32。驱动齿轮32与链轮齿38具有相同的齿数。

驱动齿轮32还在其侧面中具有多个孔53，其用作小的内部平衡重并减轻总的旋转质量。

在平衡轴14的该端部处，在扩大的中空管状端部29中通过过盈配合安装有衬套39，用于定位并固定水泵叶轮20。

水泵叶轮20的轴40设置在衬套39内，其通过穿过水泵轴40的横向侧并进入衬套39内的销41固定在适当的位置上。这样可以向水泵叶轮20传递扭矩并确保在发动机工作时水泵叶轮20一直使冷却剂循环流动。

Claims (11)

1.一种四冲程单缸液冷内燃的发动机，其包括能够在单个汽缸内往复运动的单个活塞，该活塞通过连接杆连接到可以绕第一横轴旋转的机轴并驱动携带至少一个平衡重的平衡轴绕平行于所述第一轴的第二横轴旋转，以及至少一个用于通过计时链或者计时带驱动气阀机构的凸轮轴，其特征在于，所述机轴通过1∶1的传动比驱动所述平衡轴，并且所述平衡轴还驱动所述气阀机构和冷却剂循环回路的水泵。

2.根据前述权利要求所述的发动机，其特征在于，所述平衡轴是中空的。

3.根据前述任一权利要求所述的发动机，其特征在于，所述平衡轴具有一整体式链轮齿和一整体式小齿轮，所述链轮齿用于驱动所述计时链或计时带，而所述小齿轮由所述机轴驱动。

4.根据前述任一权利要求所述的发动机，其特征在于，所述平衡轴具有硬化的圆柱表面，该硬化的圆柱表面与支撑该平衡轴的主轴承中的一个轴承的滚动元件直接滚动接触。

5.根据权利要求4所述的发动机，其特征在于，所述硬化的表面设置在所述链齿和所述小齿轮之间。

6.根据前述任一权利要求所述的发动机，其特征在于，所述链轮齿和所述小齿轮(硬化的表面-包括或增加新的权利要求？)一起设置在所述轴的一个端部上。

7.根据权利要求6所述的发动机，其特征在于，所述小齿轮在其表面上具有至少一个孔。

8.根据前述任一权利要求所述的发动机，其特征在于，所述平衡轴在与所述链轮齿相对的端部上安装有偏心重。

9.根据前述任一权利要求所述的发动机，其特征在于，所述平衡轴包括固定所述偏心重的装置和设置在所述固定装置内侧上的支座。

10.根据前述任一权利要求所述的发动机，其特征在于，所述水泵由所述平衡轴直接共轴驱动。

11.根据权利要求10所述的发动机，其特征在于，在所述平衡轴的中空端部内的适当位置上设置有安装衬套，并且在所述安装衬套内容纳有用于驱动所述水泵叶轮的轴。

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