CN102326012A - 用于衰减活塞式发动机的振动的装置和方法以及活塞式发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于衰减活塞式发动机的振动的装置，该用于衰减活塞式发动机的振动的装置包括调质阻尼器(110)，该调质阻尼器具有至少一个质量元件(120)和至少一个弹簧元件(130)。所述质量元件被旋转地支撑，使得旋转轴线与所述质量元件(120)的重心的轴线分开，并且所述至少一个弹簧元件(130)布置到所述质量元件(120)，以将所述质量元件驱动到所述调质阻尼器(110)的旋转静止位置。

Description

用于衰减活塞式发动机的振动的装置和方法以及活塞式发动机
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的衰减活塞式发动机的振动的方法。本发明还涉及一种根据权利要求7的前序部分所述的活塞式发动机，该活塞式发动机具有至少一个布置在汽缸中的往复式活塞，该活塞联接到发动机的曲轴。此外，本发明涉及一种根据权利要求10的前序部分所述的衰减活塞式发动机的振动的方法，在该方法中，通过调质阻尼器在发动机的操作期间衰减振动，该调质阻尼器具有与发动机相关联地布置的至少一个振动质量元件和至少一个弹簧元件，并且在该方法中，来自发动机的激励提供阻尼器的质量元件的振动，以衰减活塞式发动机的振动。
背景技术
活塞式发动机的振动本身已知，并且为了减小振动，存在许多不同的解决方案。在发动机中，可能注意到，发动机和与其结合地附接的辅助装置(例如一个或多个压缩机)是振动形式的一部分。在该情况下，其是总振动形式的实质，即，发动机和其辅助构造一起形成振动系统。
不同类型的活塞式发动机构造具有必须被抵消的自由力和/或自由力矩。这些力和/或力矩能以不同的量级存在。例如，直列式四缸发动机具有二级自由力，但不具有自由力矩。
自由力来源于活塞和连杆的振荡。这些力不能由曲轴上的配重完全抵消。必须被抵消的力取决于发动机的振荡(质量)力和发动机转速。
在所有类型的振动中，主要是发动机的质量力和气体力作为激励。发动机的振动阻尼中的特别困难在于不同尺寸(汽缸数量、汽缸直径等)的发动机的振动特性彼此不同。此外，发动机的运行速度也对振动有影响。
使用旋转平衡轴是已知。这些轴由曲轴驱动，并且以曲轴速度的两倍速度旋转(在四缸直列式发动机的情况下)。这些轴通常被成对地布置，并且相对于彼此沿不同方向旋转。它们还与曲轴同步，从而产生的力抵消来自发动机的力。
这样的旋转平衡轴在抑制二级振动上特别有效。然而，这种构造也具有一些缺点。旋转轴是附加元件，其必须被维修，并且还增大了发动机的移动部件的惯性。该旋转平衡轴的驱动还造成附加损失。这进而降低了发动机的过渡操作性能。另外，连续旋转的平衡轴有点趋于发生故障，并且需要相当大量的维修。
在诸如汽车发动机的小型发动机中，通常实际上是运行安装在非常软的橡胶元件上的发动机。该装置以超临界速度运行，远远超出由发动机引起的频率。在这种情况下，发动机的力未被在发动机内消除，而是想要通过具有软橡胶元件的软的发动机悬架来防止振动到达车体。这种装置难以用于较大发动机上，例如难以用在其汽缸直径大于或等于200mm和/或能够产生超过150kW/缸的功率的旨在被用作船舶推进原动机和辅助发动机的那些发动机上。一个原因是难以找到频率足够低的悬架元件。另一个原因是发动机在运行时移位。这使得非常难以布置与发动机的所有连接。
已研制出用于减振的阻尼器，其中，允许由弹簧支撑的振荡件在充满阻尼介质(例如气体或流体)的空间中移动。为了减振，例如US专利5816373公开了一种解决方案，其中，振荡件被布置在包含可压缩气体的空间中的弹簧之间。除了其它原因，由于阻尼器的操作取决于振荡件的质量和其尺寸(节流)、气体特性和弹簧特性，因此该解决方案将始终必须被单独地确定尺寸和制造，以抑制某一频率的振动。
在US专利6029541中，示出了一种往复式活塞机，其中，弹簧偏压平衡质量体被布置成在曲轴中的凸轮件的控制下往复运动。
US 1640634公开了一种内燃机，其中，弹簧控制质量体在由发动机的曲轴引导的致动器的控制下往复运动。
本发明的目的是提供一种用于衰减活塞式发动机的振动的装置，该装置包括调质阻尼器，该调质阻尼器具有至少一个质量元件和至少一个弹簧元件，该装置比现有技术操作更可靠并且更不易发生故障。
本发明的另一个目的是提供一种活塞式发动机，该活塞式发动机具有至少一个布置在汽缸中的往复式活塞，该活塞联接到发动机的曲轴，其中衰减振动得以有效地实现且方式简单。
本发明的又一个目的是提供一种衰减活塞式发动机的振动的方法，在该方法中，在发动机操作期间，通过调质阻尼器衰减振动，该调质阻尼器具有与发动机相关联地布置的至少一个振动质量元件和至少一个弹簧元件，在该方法中，来自发动机的激励提供阻尼器的质量元件的振动，以衰减活塞式发动机的振动，并且该方法提供了有效的振动衰减并且提供了可靠的操作。
发明内容
本发明的目的根据本发明的实施方式通过一种用于衰减活塞式发动机的振动的装置基本上得以实现，该装置包括调质阻尼器，该调质阻尼器具有至少一个质量元件和至少一个弹簧元件，其中，所述质量元件被旋转地支撑，使得旋转轴线与所述质量元件的重心的轴线分开，并且所述至少一个弹簧元件布置到所述质量元件，以将所述质量元件驱动到所述调质阻尼器的旋转静止位置。
所述至少一个弹簧元件优选地包括杆或类似物，该杆的纵轴线基本上垂直于所述质量元件发生振动运动所在的平面。所述杆因此用作扭转弹簧，以对调谐频率施加较小的影响。
所述杆在其第一端处可移除地固定到所述质量元件，并且该杆的旋转运动在其第二端处被锁定。这样，所述杆用作扭杆，以对所述质量阻尼器提供弹簧作用。
根据本发明的一实施方式，所述装置包括至少一对彼此互连的调质阻尼器，从而使它们的旋转运动同步。这样，通过几个较小的单元便可以满足整个衰减要求，所述几个较小单元使得较容易将所述装置定位到活塞式发动机。
根据本发明的所述用于衰减活塞式发动机的振动的装置的优选实施方式，所述振动质量元件包括：质量体，该质量体在其相对两端具有两个支架；第一轴，该第一轴附接到所述第一支架，并且从所述第一支架延伸，以提供用于可旋转地支撑所述振动质量的第一支撑区域；第二轴，该第二轴附接到所述第二支架，并且从所述第二支架延伸，以提供用于可旋转地支撑所述振动质量的第二支撑区域。另外，所述第二轴用作弹簧元件，并且所述第一轴和所述第二轴具有重合的中心轴线。特别是但不仅仅是因为其形式，这种质量元件可以容易地与活塞式发动机结合使用。
根据本发明的又一个实施方式，所述质量体包括可移除地固定的附加质量体，该附加的质量体提供了设定所述装置的操作特性的可能性。
根据本发明的一实施方式，一种活塞式发动机设置有用于衰减振动的装置，其中所述活塞式发动机具有至少一个布置在汽缸中的往复式活塞，所述活塞联接到所述发动机的曲轴，所述用于衰减振动的装置包括调质阻尼器，该调质阻尼器具有至少一个质量元件和至少一个弹簧元件，其中，所述质量元件被旋转地支撑，使得旋转轴线与所述质量元件的重心的轴线分开，并且所述至少一个弹簧元件布置到所述质量元件，以对所述质量元件的旋转位置施加影响。
根据本发明的另一个实施方式，一种活塞式发动机设置有用于衰减振动的装置，其中所述活塞式发动机具有至少一个布置在气缸中的往复式活塞，所述活塞联接到所述发动机的曲轴，所述用于衰减振动的装置包括调质阻尼器，该调质阻尼器具有至少一个质量元件，该质量元件包括：质量体，该质量体在其相对两端具有两个支架；第一轴，该第一轴附接到所述第一支架，并且从所述第一支架延伸，以提供用于可旋转地支撑所述振动质量的第一支撑区域；第二轴，该第二轴附接到所述第二支架，并且从所述第二支架延伸，以提供用于可旋转地支撑所述振动质量的第二支撑区域。另外，所述第二轴用作弹簧元件，并且所述第一轴和所述第二轴被布置成具有重合的中心轴线。特别是但不仅仅是因为其形式，这种质量元件可以容易地与活塞式发动机结合使用。
根据一优选实施方式，所述发动机是所谓的大型活塞式发动机，该大型活塞式发动机的气缸直径大于或等于200mm和/或能够产生超过150kW/缸的功率。
根据本发明的优选实施方式，所述用于衰减振动的装置布置在所述发动机的油盘中。
根据本发明的又一个实施方式，所述用于衰减振动的装置布置到所述发动机的缸体。
根据本发明的又一个实施方式，所述用于衰减振动的装置是可移除地固定到活塞式发动机的用于衰减所述活塞式发动机的振动的单独单元。
根据本发明的又一个实施方式，包括相互联接的活塞式发动机和发电机的活塞式发动机发电机组设置有用于衰减活塞式发动机发电机组的振动的装置，该装置包括调质阻尼器，该调质阻尼器具有至少一个质量元件和至少一个弹簧元件，其中，所述质量元件被旋转地支撑，使得旋转轴线与所述质量元件的重心的轴线分开，并且所述至少一个弹簧元件布置到所述质量元件，以对所述质量元件的旋转位置施加影响。这导致在操作上具有非常有利的效果，这是因为所述活塞式发动机发电机组在发电时主要以恒定的运行速度操作，并且所述用于衰减振动的装置主要以与所述运行速度对应的频率抑制振动。因为所述活塞式发动机发电机组在操作中具有相当窄的速度范围，因此，所述用于衰减振动的装置可以被有效地确定尺寸以仅衰减相当窄的频率范围。
附图说明
在下面，将参照所附的示例性示意图描述本发明，在附图中：
图1示出了根据本发明的实施方式的活塞式发动机；
图2示出了根据本发明的实施方式的调质阻尼器；
图3示出了根据本发明的另一个实施方式的调质阻尼器；
图4示出了根据本发明的又一个实施方式的活塞式发动机中的一对调质阻尼器；
图5示出了根据本发明的又一个实施方式的活塞式发动机中的一对调质阻尼器；
图6示出了本发明的又一个实施方式；
图7示出了本发明的又一个实施方式；
图8示出了根据本发明的实施方式的调质阻尼器的优选定位；以及
图9示出了本发明的又一个实施方式。
具体实施方式
图1示意性地示出了活塞式发动机10的前视图。该发动机包括至少一个汽缸15，在该汽缸中活塞20被布置成在发动机操作期间以本身已知的方式往复运动。活塞20通过连杆30与发动机的曲轴25连接。在发动机运行时，一个或多个(当发动机为多缸发动机时)活塞的往复运动导致发动机振动，该振动用箭头V示意性地表示。为了衰减所述振动，发动机设置有附接于发动机的用于衰减振动的装置100。在图1所示的实施方式中，用于衰减振动的装置100附接到发动机的油盘35，该油盘处于有利位置，因为这样其中的空间可被有效地利用，并且装置在发动机中的安装仅需要发动机中的最小变化。可以设想，发动机和装置100的设计使得用于衰减振动的装置附接到发动机的其它某个部分，例如附接到发动机缸体。
应注意到，在本实施方式中，用于衰减振动的装置100的旋转轴线135与曲轴25的旋转轴线40一致。这在实践中是布置用于衰减振动的装置100的有利的方式。这样，来源于移动部件的力的管理更加简单。
用于衰减振动的装置100包括调质阻尼器110。调质阻尼器操作成使其弹簧元件-质量元件系统被调整成使得在发动机和质量阻尼器的运动中存在180度的相位位移。因此，当发动机沿一个方向移动时，其平衡质量元件沿相反方向移动，从而抑制发动机的运动。该质量阻尼器包括至少一个质量元件120，该质量元件能够基于来自发动机的激励而振动。质量阻尼器110还包括至少一个弹簧元件130，该至少一个弹簧元件布置到质量元件，以影响其旋转位置。弹簧元件130被布置成使其将质量元件驱动到调质阻尼器的旋转静止位置。该旋转静止位置是在除了重力无外力作用在阻尼器上时组件所在的位置。质量元件被旋转地支撑，以相对于其旋转轴线135抵抗弹簧弹力可旋转。术语“可旋转”在实践中是指由发动机的振动引起的非常小的旋转振动的角运动。旋转轴线135被布置成与质量元件的重心G110的轴线分开。通过该装置，可以有效地衰减活塞式发动机的振动。
不从曲轴获得动力来驱动用于衰减振动的装置100。该装置在运行该系统上具有较小的机械损失并且使发动机具有较低的燃料消耗量。
活塞式发动机优选为大型活塞式发动机，其汽缸直径大于或等于200mm和/或能够产生超过150kW/缸的功率。调质阻尼器被调整成在有限的发动机速度范围内操作。该范围被确定为使得在发动机的额定速度下获得最大的效果。根据本发明的实施方式，发动机被联接到发电机，并且其在有限的发动机速度范围内操作。因此调质阻尼器非常有效地操作。
图2示出了根据本发明的一实施方式的调质阻尼器110，部分I从上方纵向示出质量阻尼器，部分II从第一侧示出质量阻尼器，部分III示出部分I中的质量阻尼器的端视图。调质阻尼器110包括质量元件120。质量元件包括质量体121，该质量体121在其相对两端包括至少两个支架122、123。两个支架设置有同轴布置的附接腔124，在该情况下这些附接腔是用于质量阻尼器100的轴的圆形贯通口。轴包括附接到第一支架122的第一轴140和附接到第二支架123的第二轴150。
第一轴140从第一支架122延伸，从而其提供第一支撑区域160，该第一支撑区域用于通过轴承161可旋转地支撑振动质量。而且，附接到第二支架123的第二轴从第二支架延伸，以提供第二支撑区域180，该第二支撑区域用于通过轴承181等可旋转地支撑振动质量。第二轴用作扭转弹簧元件，并且第一轴和第二轴具有重合的中心轴线。这些轴通过本身已知的方式可移除地附接到质量体。
弹簧元件130包括扭杆。在该实施方式，第二轴150还用作弹簧元件130。因此，关于这一点，所述杆还可以用附图标记150指示。第二轴150在其第一端处附接到质量元件，第二端设置有锁定装置190，通过该锁定装置，第二轴(即扭杆)的旋转运动在其第二端处被锁定。锁定装置包括凸缘构件，该凸缘构件例如可释放地紧固到发动机的主体。所述凸缘设置有用于第二轴150的端部的空腔。例如通过轴的端部和凸缘构件中的啮合花键来实现锁定。
质量元件120的长度L优选至少为重心G110的轴线距旋转轴线135的距离D的两倍。因此，该装置所需要的空间相当窄。质量元件120被布置成振动，即，基本上在平面P中进行往复的角运动。平面P基本上垂直于弹簧元件130，即第二轴150的纵轴线。当安装到发动机中时，质量阻尼器优选被布置成使平面P与发动机的质量力的矢量(图8，附图标记801)方向相同。平面P还通过质量元件的重心G110。
质量元件有利地设置有可移除的质量单元121’，质量单元121’的数量被选择成与调整质量阻尼器时的每种情况相适应。
第一轴140从第一支架122延伸，从而该第一轴提供第一支撑区域160，该第一支撑区域用于通过轴承161可旋转地支撑振动质量。
质量阻尼器110设置有同步装置200。这是阻尼器要成为包括至少一对调质阻尼器的装置的一部分的情况。同步装置200便于使阻尼器彼此互连，从而使它们的旋转运动同步。在图3的实施方式中，同步装置200是齿轮缘202。这是可能的，因为质量阻尼器的旋转运动是相对于静止位置在最大位置与最小位置之间的往复运动。图3还示出了具有在静止位置中成α角的一对质量阻尼器的选项。
在图4中，以更具体的方式示出了用于衰减振动的装置100如何附接到发动机的油盘35。用于衰减振动的装置100包括一对调质阻尼器，该对调质阻尼器通过布置到第一轴140(图2)的每个质量阻尼器的前端200处的齿轮彼此互连。为了将调质阻尼器附接并支撑至油盘35，油盘设置有用于轴承161、181的基架351、352。扭杆即第二轴150的锁定装置190布置到油盘的后壁353，位于油盘之外。质量阻尼器优选地被布置成使质量元件在它们的静止位置处基本指向相同水平面。该水平面有利地基本上垂直于发动机的汽缸(多个汽缸)的主方向。
图5示出了本发明的又一个实施方式，其中，与图2中相同的附图标记已用于质量阻尼器110的相同或对应的元件。图5示出了一实施方式，其中一对类似的质量阻尼器110布置在外壳500中，以形成用于衰减活塞式发动机10的振动的单元。另外，在该实施方式中，第一轴140是中空的，并且第二轴150布置成从第二支架123通过第一轴延伸到质量阻尼器的前侧。第二轴150可以由第一轴140可旋转地支撑，或者其可以被引导通过第一轴而不与该第一轴接触，即，使得在第一轴的内表面与第二轴的外表面之间存在间隙。该实施方式节省了纵向上的空间。
锁定装置以与图2相应的方式设置并且增加了可选的附加的弹簧和/或减振装置130’，该弹簧和/或减振装置130’位于外壳500的外部，使得可以例如在安装之后或者甚至在发动机的操作期间容易地改变质量阻尼器的特性。
此外，在图5中，示出有用于衰减活塞式发动机的振动的装置的润滑系统520，通过该润滑系统，例如润滑油可循环通过该装置，以润滑同步装置200和/或轴承161、181。具体地，在所述装置不定位在发动机的油盘中的实施方式中，附加的润滑是有利的。润滑系统520优选地连接活塞式发动机的润滑装置。
在图6中，示出了本发明的另一个实施方式，其中，存在两个质量元件120，该两个质量元件布置成通过作为同步装置200的齿轮装置彼此同步连接。仅其中一个质量元件设置有弹簧元件130，该弹簧元件的作用通过同步装置200被传递到另一个质量元件。
图7示出了本发明的又一个实施方式，其中，调质阻尼器110包括由轴承162、182基本上以自由地可旋转的方式支撑的轴或杆150。所述轴设置有两个质量元件120，该两个质量元件以彼此隔开一距离的方式布置到杆150。杆150布置成用作调质阻尼器的扭转弹簧130。优选地，质量元件位于扭转弹簧130的端部。所述轴至少在操作质量阻尼器所需要的程度上可自由地旋转，然而，其旋转可以是受限的。在该情况下，将质量元件布置成使得质量元件的重心在竖直方向上处于比装置的旋转轴线135更低的水平处是有利的。这增强了装置的静态稳定性。
在图8中，示出了发动机10的示意性前视图和侧视图，该图示出了用于衰减振动的装置100的优选定位。待被平衡的单元(例如发动机或发动机-发电机组)具有重心G10。箭头801示出了发动机的质量力的矢量，箭头802示出了由用于衰减振动的装置100产生的力的矢量。优选地，发动机的质量力的矢量基本上与由用于衰减振动的装置100产生的力的矢量处于同一垂直线L上。优选地，线L还与结合图2所说明的平面P重合。
在图8中，还示出了本发明的一实施方式，其中，用于衰减振动的装置100的旋转轴线135与曲轴25的旋转轴线40(图1所示)分开。更具体地，这里，用于衰减振动的装置100的旋转轴线135垂直于曲轴25的旋转轴线40。
在图9中，示出了本发明的又一个实施方式，其中，质量阻尼器110布置在发动机的油盘35中，从而扭转弹簧元件130，即轴，定位于油面上方，使得其被溅出的油冷却。此外，在本实施方式中，质量元件120布置在单独的隔室或外壳90中，从而质量元件可基本上不受油浴影响地移动，即，没有油的抑制影响。
尽管本文已针对目前被认为是最优选的实施方式通过实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的实施方式，而是旨在覆盖其特征的各种组合或修改以及包含在如由所附的权利要求限定的本发明的范围内的若干其它应用。在这样的组合在技术上可行时，结合以上任何实施方式所述的细节可结合另一个实施方式使用。

Claims (14)

1.一种用于衰减活塞式发动机的振动的装置，该用于衰减活塞式发动机的振动的装置包括调质阻尼器(110)，该调质阻尼器具有至少一个质量元件(120)和至少一个弹簧元件(130)，所述用于衰减活塞式发动机的振动的装置的特征在于，所述质量元件被旋转地支撑，使得旋转轴线(135)与所述质量元件(120)的重心(G110)的轴线分开(D)，并且所述至少一个弹簧元件(130)布置到所述质量元件(120)，以将所述质量元件驱动到所述调质阻尼器(110)的旋转静止位置。
2.根据权利要求1所述的用于衰减活塞式发动机的振动的装置，其特征在于，所述至少一个弹簧元件(130)包括杆(150)，该杆的纵轴线垂直于所述质量元件(120)发生振动运动所在的平面(P)。
3.根据权利要求2所述的用于衰减活塞式发动机的振动的装置，其特征在于，所述杆(150)在其第一端处可移除地固定到所述质量元件(120)，所述杆的旋转运动在其第二端处被锁定(190)。
4.根据利要求1至3中任一项所述的用于衰减活塞式发动机的振动的装置，其特征在于，该装置包括至少一对彼此互连的调质阻尼器，从而使它们的旋转运动同步。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于衰减活塞式发动机的振动的装置，其特征在于，所述振动质量元件(120)包括：质量体，该质量体在其相对两端具有两个支架；第一轴，该第一轴附接到所述第一支架，并且从所述第一支架延伸，以提供用于可旋转地支撑所述振动质量的第一支撑区域；第二轴，该第二轴附接到所述第二支架，并且从所述第二支架延伸，以提供用于可旋转地支撑所述振动质量的第二支撑区域，其中，所述第二轴用作弹簧元件，并且所述第一轴和所述第二轴的中心轴线重合。
6.根据权利要求5所述的用于衰减活塞式发动机的振动的装置，其特征在于，所述质量体包括可移除地固定的附加质量体。
7.一种活塞式发动机，该活塞式发动机具有至少一个布置在汽缸中的往复式活塞，所述活塞联接到所述发动机的曲轴，所述活塞式发动机的特征在于，所述发动机设置有根据权利要求1至6中任一项所述的用于衰减振动的装置。
8.根据权利要求7所述的活塞式发动机，其特征在于，所述用于衰减振动的装置布置在所述发动机的油盘中。
9.根据权利要求7所述的活塞式发动机，其特征在于，所述用于衰减振动的装置布置成使其旋转轴线与所述曲轴的旋转轴线一致。
10.一种衰减活塞式发动机的振动的方法，在该方法中，在所述发动机的操作期间，通过调质阻尼器来衰减振动，所述调质阻尼器具有与所述发动机相关联地布置的至少一个振动质量元件和至少一个弹簧元件，在该方法中，来自所述发动机的激励提供所述阻尼器的所述质量元件的振动，用于衰减所述活塞式发动机的振动，该方法的特征在于，所述质量元件的振动运动被引导为作为关于该质量元件的旋转轴线的旋转运动而发生。
11.根据权利要求10所述的衰减活塞式发动机的振动的方法，其特征在于，所述至少一个弹簧元件向所述质量元件提供旋转弹簧作用。
12.根据权利要求10所述的衰减活塞式发动机的振动的方法，其特征在于，所述至少一个弹簧元件通过扭转作用提供旋转弹簧作用。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的衰减活塞式发动机的振动的方法，其特征在于，所述活塞式发动机的振动通过至少一对调质阻尼器来衰减，所述一对调质阻尼器的振动运动同步。
14.根据权利要求10至12中任一项所述的衰减活塞式发动机的振动的方法，其特征在于，所述质量元件的运动与所述活塞式发动机的所述汽缸的纵轴线基本一致。
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