CN103104656B - 曲轴减震器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种曲轴减震器，包括：外圈(1)和内圈(2)，所述外圈(1)整体呈非正圆形。利用本发明的曲轴减震器，可减小曲轴滚震及扭震现象对前端附件皮带张力的影响，从而延长皮带的使用寿命。

Description

曲轴减震器

技术领域

本发明涉及一种用于发动机的曲轴减震器。

背景技术

在发动机的运行中，气缸点火燃烧的瞬间会产生巨大的压力，该压力通过曲柄连杆机构传递到曲轴上，驱动曲轴旋转。由于发动机每个缸内燃烧产生的瞬时巨大压力对其曲轴都会产生一个冲击，因此，曲轴在工作周期内将产生不均匀的旋转，旋转的角速度峰值个数与工作周期的点火数对应。曲轴的这种不均匀旋转称之为曲轴滚震。另外，由于曲轴存在一定的扭转刚度，作用在前端曲拐上的力会使曲轴前端相对后端迅速发生扭转变形，而当作用力消失后，这种扭转迅速复位。这种现象为曲轴扭震。

为了减小曲轴滚震及扭震的影响，当前发动机曲轴匹配了飞轮和圆形的曲轴减震器(TORSION VIBRATION DAMPER)。在此类曲轴减震器内部存在橡胶阻尼环，能够避免曲轴产生共振以及吸收部分扭震能量。

图1-4为当前常见结构曲轴减震器(图1、2表示内圈与曲轴连接的曲轴减震器，图3、4表示外圈与曲轴连接的曲轴减震器)，外形为圆形，节圆上的点到旋转中心的距离是恒定的，即半径不是变化的。

但是，现有的曲轴减震器仍然不能完全消除曲轴扭震和曲轴滚震的影响，使得曲轴减震器依然会存在不均匀旋转，导致其驱动的附件皮带产生张力波动。较大的皮带张力波动不仅会使皮带打滑，磨损加剧，产生噪音，而且会对其他附件产生冲击，特别是转动惯量较大的发电机和空调压缩机等零部件。

图5为现有的直列4缸发动机曲轴减震器在不同转速下的一个工作周期内的转速波动。从图5中可以看出，发动机720度工作周期内，发动机转速波动出现4个峰值区(这一周期内发动机点火4次)；在发动机低速时，转速波动幅度较大，随着发动机转速的提高，转速波动幅度逐渐减小。

发明内容

本发明提供一种变化半径的曲轴减震器(VARIABLE RADIUS-TORSION VIBRATIONDAMPER，简称VR-TVD)，以减小曲轴滚震及扭震现象对前端附件皮带张力的影响，从而延长皮带的使用寿命。

本发明的曲轴减震器包括：外圈和内圈，所述外圈整体呈非正圆形。

另外，本发明的曲轴减震器的外圈整体形状为近似椭圆形。

或者，本发明的曲轴减震器的外圈整体形状为近似正多边形，例如：三角形、四边形、五边形等。

另外，本发明的曲轴减震器中，内圈和外圈之间设有橡胶阻尼环。

另外，本发明的曲轴减震器中，外圈与内圈通过橡胶阻尼环连接，内圈与曲轴连接。

或者，本发明的曲轴减震器中，外圈与内圈通过橡胶阻尼环连接，外圈与曲轴连接。

根据上述结构，由于在降低发动机附件皮带张力波动时折中考虑了低速和高速工况，使外圈整体形成非传统的正圆形，因此可将皮带张力波动较大的工况尽可能地移到发动机工作转速外或不常用的极高速区，减少对附件皮带的影响，使得在常用工况转速内皮带张力波动下降，提高皮带寿命，从而延长了皮带的更换周期，节约了资源。

由于使用本发明的曲轴减震器，使得皮带的张力波动下降，附件皮带设计可以变窄，既节约了资源，又能够缩短发动机轴向长度，有利于发动机的紧缩化，便于发动机在整车上的设计布置。

由于使用本发明的曲轴减震器，使得皮带的张力波动下降，可以避免对转动惯量较大的附件造成冲击(如发电机和空调压缩机)，从一定程度上可以避免使用OAP皮带轮或OAD皮带轮等成本较高的减震零件，从而降低发动机成本。

附图说明

图1是表示现有技术的一种曲轴减震器的俯视图。

图2是表示现有技术的一种曲轴减震器的内部结构的剖视图。

图3是表示现有技术的另一种曲轴减震器的俯视图。

图4是表示现有技术的另一种曲轴减震器的内部结构的剖视图。

图5是表示现有的直列4缸发动机曲轴减震器在不同转速下一个工作周期内的转速波动情况的示意图。

图6是将使用本发明的曲轴减震器前后的皮带张力波动情况进行对比的示意图。

图7是表示本发明的曲轴减震器的俯视图。

图8是表示本发明的曲轴减震器的内部结构的剖视图。

图9是表示本发明实施方式1的曲轴减震器的俯视图。

图10是表示本发明实施方式1的曲轴减震器的内部结构的剖视图。

图11是表示本发明实施方式2的曲轴减震器的俯视图。

图12是表示本发明实施方式2的曲轴减震器的内部结构的剖视图。

图13是表示本发明实施方式3的曲轴减震器的俯视图。

图14是表示本发明实施方式3的曲轴减震器的内部结构的剖视图。

图15是表示本发明实施方式4的曲轴减震器的俯视图。

图16是表示本发明实施方式4的曲轴减震器的内部结构的剖视图。

图17是表示本发明实施方式5的曲轴减震器的俯视图。

图18是表示本发明实施方式5的曲轴减震器的内部结构的剖视图。

图19是表示本发明实施方式6的曲轴减震器的俯视图。

图20是表示本发明实施方式6的曲轴减震器的内部结构的剖视图。

具体实施方式

以下对本实施方式的具体实施方式作详细说明。以下实施方式仅仅是本实施方式技术方案的一例，不应被解释为对本实施方式保护范围的限定。

为了减小曲轴滚震及扭震的影响，发动机曲轴上都安装有曲轴减震器。

针对曲轴减震器的改善，本发明考虑了以下几个问题：

1)如图5所示，发动机在低速和高速时曲轴角速度波动幅度是不一样的，而对于一款发动机只能匹配一个曲轴减震器。因此，可以通过在降低发动机附件皮带张力波动时折中考虑低速和高速工况，以尽可能地将皮带张力波动较大的工况移到发动机工作转速外或不常用的极高速区，减少对附件皮带的影响。

2)曲轴减震器的旋转工作周期是360度，发动机工作周期是720度，确认发动机曲轴前端前360度和后360度内角速度波动规律相同或相近(否则需要拟合曲线，使前360度和后360度内角速度波动规律相同)。

3)本发明的曲轴减震器在0°相位的半径是根据曲轴前端在该相位瞬时角速度计算出的，该相位与附件皮带的切入点的存在β角度的相位差，因此，设计曲轴减震器时，可使曲轴减震器的0°相位与皮带切入点P的相位重合，从而使曲轴减震器和曲轴之间采用定位键来固定两者相位的关系。

如图7、8所示，本发明曲轴减震器由外圈1和内圈2组成(在无橡胶阻尼环的情况下，内外圈可以为一体；在有橡胶阻尼环3的情况下，橡胶阻尼环3设置于外圈1和内圈2之间)。外圈1的皮带轮其有效节圆不是常规减震器的正形，而是近似椭圆形或近似正多边形(可根据发动机气缸数而定，例如4缸机为近似椭圆，6缸机为近似正三角形)，其节圆上的点到旋转中心的距离随发动机角速度有规律的波动而变化。在某一平均转速下，曲轴减震器的外圈皮带轮节圆上的点到旋转中心的距离可以由以下公式确定：

R_an＝ω_0nR₀/ω_an(a发动机曲轴相位，范围0～720°，n发动机转速)

R_an转速为n，曲轴相位为a时，曲轴减震器的外圈节圆上的点到旋转中心的距离；

ω_0n转速为n时的平均角速度，可以根据发动机平均转速n，依据ω_0n＝2πn/60算出(n发动机转速，单位：转/分)；

R₀圆形曲轴减震器的外圈有效节圆的半径；

ω_an转速为n时，相位为a时的本发明的曲轴减震器的外圈的角速度。

图6是将使用本发明的曲轴减震器前后的皮带张力波动情况进行对比的示意图，表示了某直列4缸机采用本发明的曲轴减震器后，理论计算的皮带张力波动情况。

很明显，在4500rpm以内皮带张力波动下降，从850rpm～4500rpm之间，皮带张力波动下降幅度为9％～100％，其中1000rpm时的峰值点皮带张力波动幅度下降了24％，3000rpm时的皮带张力没有波动，在4500rpm以上，张力波动有少量增加。(注：由于柴油发动机额定转速比汽油机低，角震动也较大，从这个角度考虑，在柴油机上实施本发明的曲轴减震器技术效果会更佳)。

在采用本发明的曲轴减震器的情况下，在直列4缸发动机台架(或整车)上加载试验(负载和附件都加载)，实测出圆形曲轴减震器的外圈1的在不同转速下不同曲轴相位下的角速度ω_an曲线、不同转速下皮带张力、皮带抖动曲线(如果没有试验可以通过CAE模拟计算)。如图6所示，通常发动机在低速区(1000-1500rpm)皮带的张力波动较大，实施的发动机的最大波动转速在1200rpm，为了兼顾高速和低速，实施VR-TVD选择的转速定在2500-3500rpm，这样既可以消除低转速区的皮带张力波动，高转速区的皮带张力波动增加的也不会太多，整个发动机转速的皮带张力波动比较均匀。选择2500rpm，3000rpm，3500rpm的瞬时角速度曲线，按照前面的方法，设计并制作不同转速下的曲轴减震器(注意：设计的所有曲轴减震器与现有的圆形曲轴减震器的固有频率一样，否则需要和圆形减震器开发一样，做曲轴减震器的选频试验)；再通过试验测出不同曲轴减震器对降低皮带张力、抖动的降低效果，综合噪音情况确定最终的曲轴减震器的方案，图6显示的是采用了本发明的曲轴减震器(VR-TVD)的某发动机在3000rpm下实施的技术理论效果。

采用本发明的曲轴减震器后具有如下优势：

1.在常用工况转速内皮带张力波动下降，皮带寿命可以提高，从而延长了皮带的更换周期，节约了资源。

2.使用本发明的曲轴减震器后皮带张力波动下降，附件皮带设计可以变窄，既节约了资源，又可以缩短了发动机轴向长度，便于发动机在整车上的设计布置。

3.使用本发明的曲轴减震器后皮带张力波动下降，可以避免对转动惯量较大的附件造成冲击(如发电机和空调压缩机)，从一定程度上可以避免使用OAP皮带轮或OAD皮带轮等成本较高的减震零件，从而降低发动机成本。(关于OAP(OverrunningAlternatorPulley)皮带轮和OAD(Overrunning Alternator Decoupler)皮带轮，两者都是装在发电机上的皮带轮，OAP皮带轮仅具有单向离合功能，功能和自行车后轴上的棘轮差不多，当皮带驱动发电机时，OAP皮带轮的内外圈合为一体，这样皮带驱动皮带轮旋转时就带动发电机旋转，当皮带减速时，由于发电机惯量较大，会保持一定的转速继续旋转，这时OAP皮带轮的内外圈会自动分离，出现内外圈打滑，这样发电机就不会反拖皮带运转，减小对皮带的冲击。OAD皮带轮相比OAP皮带轮，除了单向离合功能外，还具有减震和限制扭矩作用，其内部有弹簧和摩擦装置，当皮带加速驱动发电机时，弹簧会隔离皮带对带轮的冲击，当扭矩很大时，内外圈还会出现打滑，以限制驱动扭矩。)

以下，对本发明的几个具体实施方式进行说明。

实施例1

应用于直列4缸机的曲轴减震器

如图9、10所示，本实施例1的曲轴减震器的外圈整体呈近似椭圆形，内、外圈形成为一体，不设置橡胶阻尼环。可以通过钢板冲压、旋压来制成。

实施例2

应用于直列4缸机的曲轴减震器

如图11、12所示，本实施例2的曲轴减震器的外圈整体呈近似椭圆形，外圈与内圈通过橡胶阻尼环连接，内圈与曲轴连接。

实施例3

应用于直列4缸机的曲轴减震器

如图13、14所示，本实施例3的曲轴减震器的外圈整体呈近似椭圆形，外圈与内圈通过橡胶阻尼环连接，外圈与曲轴连接。

实施例4

应用于V型6缸机的曲轴减震器

如图15、16所示，本实施例4的曲轴减震器的外圈整体呈近似正三角形，内、外圈形成为一体，不设置橡胶阻尼环。可以通过钢板冲压、旋压来制成。

实施例5

应用于V型6缸机的曲轴减震器

如图17、18所示，本实施例5的曲轴减震器的外圈整体呈近似正三角形，外圈与内圈通过橡胶阻尼环连接，内圈与曲轴连接。

实施例6

应用于V型6缸机的曲轴减震器

如图19、20所示，本实施例6的曲轴减震器的外圈整体呈近似正三角形，外圈与内圈通过橡胶阻尼环连接，外圈与曲轴连接。

Claims (6)

1.一种曲轴减震器，其特征在于，包括：外圈和内圈，

所述外圈整体呈非正圆形;所述外圈的节圆上的点至所述曲轴的旋转中心的距离为R_an=ω_0nR₀/ω_an；其中，R_an为转速为n且曲轴相位为a时的所述外圈的节圆上的点至所述曲轴的旋转中心的距离，ω_0n为转速为n时的平均角速度，R₀为曲轴减振器外圈的有效节圆的半径，ω_an为转速为n时且曲轴相位为a时的曲轴减振器外圈的角速度。

2.如权利要求1所述的曲轴减震器，其特征在于，所述外圈整体形状为近似椭圆形。

3.如权利要求1所述的曲轴减震器，其特征在于，所述外圈整体形状为近似正多边形。

4.如权利要求1-3任意一项所述的曲轴减震器，其特征在于，所述内圈和所述外圈之间设有橡胶阻尼环。

5.如权利要求4所述的曲轴减震器，其特征在于，所述外圈与所述内圈通过橡胶阻尼环连接，内圈与曲轴连接。

6.如权利要求4所述的曲轴减震器，其特征在于，所述外圈与所述内圈通过橡胶阻尼环连接，外圈与曲轴连接。