CN103185062A - 直列三缸发动机曲轴平衡系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直列三缸发动机曲轴平衡系统，包括曲轴、与曲轴平行设置的平衡轴、设于曲轴一端且带有第一配重的皮带轮、设于曲轴另一端且带有第二配重的飞轮，曲轴上依次设有彼此间隔120°且沿轴向等距布置的第一、第二和第三曲拐，第一曲拐和第三曲拐的各曲柄上均设有平衡块，平衡轴转速与曲轴转速相等但转向相反，与第一、第二和第三曲拐分别对应连接的第一、第二和第三活塞连杆总成均被构造成完全相同。它在不改变曲轴箱体积、不增大发动机整机占用空间的基础上有效地实现曲轴系统平衡，可在最小空间内提供最大平衡惯量，从而为发动机配置手动变速箱或自动变速箱提供了方便，而且有利于保证系统运行稳定性，提高发动机自适用性和零部件通用性。

Description

直列三缸发动机曲轴平衡系统

技术领域

本发明涉及一种曲轴平衡系统，尤其涉及一种直列三缸发动机曲轴平衡系统。

背景技术

往复活塞式内燃机是一种得到广泛应用的动力装置，然而现有的这类内燃机在实际使用过程中还存在着一些问题。

例如，尽管作为内燃机功率输出主轴的曲轴的转动是基本均匀的，但是活塞连杆组的运动却极不均匀而伴随着很大的加、减速速度，从而将会产生超重上千倍的惯性负荷，这将在很大程度上对受力件的强度和耐久性造成不利影响，并且引起振动、噪音等方面问题。此外，由于往复活塞式内燃机的活塞连杆组在曲轴运动过程中会产生更大的往复惯性力和离心惯性力，这就导致在曲轴箱的有限空间内实现曲轴动平衡的紧凑布置变得尤其困难。此外，采用现有的曲轴平衡方式并不能提高发动机的自适用性，也不能保证零部件的通用性。因此，近年来随着内燃机的转速越来越高，针对其曲轴系统的动平衡研究和改进设计就显得日益重要。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种直列三缸发动机曲轴平衡系统，从而能够有效解决现有技术中存在的上述及其他方面的问题。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种直列三缸发动机曲轴平衡系统，其包括曲轴、与所述曲轴平行设置的平衡轴、设于所述曲轴一端且带有第一配重的皮带轮、设于所述曲轴另一端且带有第二配重的飞轮，其中所述曲轴上依次设置有彼此间隔120°且沿轴向等距布置的第一、第二和第三曲拐，所述第一曲拐和第三曲拐的各曲柄上均设置有平衡块，所述平衡轴的转速与所述曲轴的转速相等但转向相反，并且与所述第一、第二和第三曲拐分别对应连接的第一、第二和第三活塞连杆总成均被构造成完全相同。

在上述直列三缸发动机曲轴平衡系统中，优选地，所述第一曲拐和第三曲拐的各曲柄上的所有平衡块被构造成完全相同。

在上述直列三缸发动机曲轴平衡系统中，优选地，所述第一曲拐的各曲柄上的所有平衡块被构造成完全相同。

在上述直列三缸发动机曲轴平衡系统中，优选地，所述第三曲拐的各曲柄上的所有平衡块被构造成完全相同。

本发明的有益效果在于：与现有技术相比，采用本直列三缸发动机曲轴平衡系统，它在不改变曲轴箱体积、不增大发动机整机占用空间的基础上可以可靠、有效地实现曲轴系统平衡。本发明的优势尤其在于能够在最小的空间内提供最大的平衡惯量，从而不仅为发动机配置手动变速箱或者自动变速箱提供了方便，而且有利于保证系统运行的稳定性，并且在系列发动机的研发设计过程中不必改变机体的主体结构，从而能够显著地提高发动机的自适用性以及零部件的通用性，由此可以极大地降低产品的开发和维护成本。

附图说明

以下将结合附图和实施例，对本发明的技术方案作进一步详细描述。

图1是本发明的直列三缸发动机曲轴平衡系统一个实施例的结构布置示意图。

图2至图6是本发明的直列三缸发动机曲轴平衡系统的曲轴平衡设计原理示意图。

具体实施方式

总体而言，在本发明中的曲轴平衡系统设计目标主要包括曲柄机构平衡目标和平衡轴平衡目标这两个部分。其中，曲柄机构的平衡目标在于：平衡50％的往复惯性力矩和100％的离心惯性力矩和惯性力矩，实现曲柄机构本身作用力的自平衡。而平衡轴的平衡目标在于：平衡50％的往复惯性力矩，实现平衡轴本身作用力的自平衡。

首先，请参阅图1，该图仅以示意方式显示出了本发明的直列三缸发动机曲轴平衡系统一个实施例的结构布置情况。在该实施例中，它主要包括曲轴1、平衡轴2、皮带轮3和飞轮4，该曲轴1上的三个曲拐51、52和53分别通过连杆61、62和63连接到气缸活塞71、72和73上，下面将对它们进行具体介绍。

平衡轴2与曲轴1平行设置，它的转速与曲轴1的转速相等但是彼此转向相反。在曲轴1上依次设置有第一曲拐51、第二曲拐52和第三曲拐53，这些曲拐彼此之间间隔120°进行布置，并且它们在轴向上被等距布置。在第一曲拐51的相应曲柄上分别设置有平衡块511、512，在第三曲拐53的的相应曲柄上分别设置有平衡块531、532。此外，皮带轮3和飞轮4分别设置在曲轴1的两端，并且皮带轮3带有第一配重31，飞轮4带有第二配重41。

作为优选情形之一，可以将第一曲拐51相应曲柄上的各平衡块511、512构造成完全相同。类似地，也可以将第三曲拐53相应曲柄上的各平衡块531、532构造成完全相同。作为更优选情形，可以将上述的这些平衡块511、512、531、532全部构造成完全相同。

再如图1所示，由连杆61和气缸活塞71构成了第一活塞连杆总成，并且由连杆62和气缸活塞72构成了第二活塞连杆总成，同时由连杆63和气缸活塞73构成了第三活塞连杆总成。根据本发明的设计思想，以上这些第一、第二和第三活塞连杆总成可以在实际应用时具有彼此完全相同的构造。这样，当进行系列发动机的研发设计过程时，就可以在不改变机体主体结构的情况下成功地实现各单缸活塞连杆总成都能相互通用，从而可以极大地降低产品开发和维护成本，提高发动机的自适用性。

请结合参考图2-图6，以下将通过这些示意性视图来详细说明本发明的直列三缸发动机曲轴平衡系统地基本设计原理和思路，其中的图示以及文字描述内容都应当作为示例性说明来加以理解，而不能将它们用作任何限制性的解释，并且在本文各图面以及文字中出现的相同的数字、字母等标识均表示完全相同的含义。

首先，将活塞连杆总成的往复惯性力和往复惯性力矩的计算过程作如下说明：

(1)活塞连杆总成的往复惯性力的计算分析

与前述第一气缸、第二气缸和第三气缸所分别对应的各曲柄机构的各自往复惯性力P_j1、P_j2和P_j3分别为：

P_j1＝m_jRω²*cosα+m_jλRω²*cos2α；

P_j2＝m_jRω²*cos(α-120°)+m_jλRω²*cos2(α-120°)；

P_j3＝m_jRω²*cos(α-240°)+m_jλRω²*cos2(α-240°)；

其中：m_j为单缸活塞连杆总成的往复质量(将其质心设定在活塞销的中心)，R为曲柄半径，λ＝R/L为曲柄连杆比，L为连杆中心矩，ω为曲柄机构的旋转角速度，α为曲柄机构与其所对应气缸的上止点之间的旋转角度。

由于以上的各往复惯性力都是沿着气缸的中心线进行直线运动，因此以下关系式成立：P_i1+P_j2+P_j3＝0。由此，可以获知这些活塞连杆总成的一阶和二阶往复惯性力是可以实现自平衡的。

(2)曲柄机构的往复惯性力矩的计算分析

首先，选择第二气缸中心线的基准面作为参考基准；然后，设定沿着第二气缸中心线与曲轴回转轴线交点为坐标原点O，并且分别以指向曲轴机构较小头侧方向、指向活塞上止点的方向为X轴向和Y轴向，以便建立起坐标系。

这样，与第一气缸、第二气缸和第三气缸所分别对应的各曲柄机构的各自往复惯性力矩M_j1、M_j2和M_j3分别为：

M_j1＝P_j1*L₀＝m_jRω²*cosα*L₀；

M_j2＝0；

M_j3＝P_j3*(-L₀)＝-m_jRω²*cos(α-240°)*L₀；

其中：L₀为第一气缸和第三气缸所对应的曲柄机构与第二气缸中心线之间的距离(如无特别说明，则将这两个曲柄机构与第二气缸中心线之间的距离设为相等)，其他参数的具体含义请参考前述说明。

根据力矩法则，因为M_j1与M_j3位于垂直于上述XOY的平面内，所以它们的合成力矩M_j＝M_j1+M_j3＝-2m_jRω²*sin(α-120°)*sin 120°*L₀。

由于活塞连杆总成的往复惯性力总是沿着气缸中心线的方向，因此当第一曲柄销到达第一气缸的上止点之后30°或者该下止点之后30°时，即产生了最大往复惯性力矩M_jmax＝2m_jRω²*L₀*sin120°。

需要说明的是，由于在本文中所提到的发动机仅具有单平衡轴机构而无法平衡由二阶往复惯性力产生的力矩，所以以上计算过程不考虑二阶往复惯性力矩。

随后，继续说明曲柄机构的离心惯性力和离心惯性力矩的计算过程：

(3)曲柄机构的离心惯性力的计算分析

各曲柄机构的离心惯性力F_r1、F_r2和F_r3的方向为沿着其各自所对应气缸的曲柄销中心线的离心方向，并且F_r1＝F_r2＝F_r3＝m_rRω²(其中，m_r表示在各曲柄机构具有相同构造时的单个曲柄机构的离心质量)，当各曲柄机构彼此在回转平面内120°均布，则离心惯性力可以实现自平衡。

(4)曲柄机构的离心惯性力矩的计算分析

首先，同样选取第二气缸中心线与曲轴回转轴线交点为坐标原点O；然后，并且分别以指向气缸活塞的上止点方向为Y轴向、以曲柄机构的离心惯性力平面内指向发动机排气侧方向为X轴向，以便建立起坐标系。

这样，与第一气缸、第二气缸和第三气缸所分别对应的各曲柄机构的各自离心惯性力矩M_r1、M_r2和M_r3分别为：

M_r1＝P_r1*L₀＝m_rRω²；

M_r2＝0；

M_r3＝P_r3*(-L₀)＝-m_jRω²*L₀；

根据力矩法则，以上离心惯性力矩位于垂直于X’OY的平面，并且与第一曲拐成30°夹角，因此这些离心惯性力矩M_r1、M_r2和M_r3的合成力矩M_r＝2cos30°*m_rRω²*L₀。

(5)曲轴平衡块的计算分析

为了简便起见，首先以4个大平衡块(指位于第一曲拐相应曲柄上的第一、第二平衡块以及位于第三曲拐相应曲柄上的第五、第六平衡块均具有相同结构)和2个小平衡块(指分别位于第二曲拐上的第三、第四平衡块具有相同结构)的方式来进行分析。

如图2和图3所示，图中显示出的角度参数含义为：

β表示的是第一/第二平衡块与第五/六平衡块的质心角度，并且120°＜β≤180°；

σ表示的是曲轴平衡块质心与曲柄之间夹角；

ψ表示的是曲轴平衡块质心与OY方向之间角度。

(a)曲柄机构的往复惯性力矩平衡

各曲柄机构的往复惯性力矩F_jb1、F_jb2、F_jb3、F_jb4、F_jb5和F_jb6为：

F_jb1＝F_jb2＝F_jb5＝F_jb6＝m_jb1*R_b1≠0(其中，F_jb1可以根据机体的最大布置尺寸获得，即通过将第一曲拐的往复质量m_jb1与第一曲拐的最大旋转半径R_b1进行相乘处理来获得)

F_jb3＝F_jb4＝m_jb3*R_b3(其中，m_jb3是第二曲拐的往复质量m_jb1，R_b3是第二曲拐的最大旋转半径)

曲轴平衡块力平衡：

2*F_jb1*ω²*cos(0.5β)＝2*F_jb3*Rω²

当往复惯性力矩为最大值时，为了平衡50％的往复惯性力矩，则可以推导出：

4*F_jb1*ω²*cos(90°-0.5β)*L₀＝0.5*2*m_jRω²*L₀*sin120°

由此，可以求解获得F_jb1。

(b)曲柄机构的离心惯性力矩平衡

各曲柄机构的离心惯性力矩F_rb1、F_rb2、F_rb3、F_rb4、F_rb5和F_rb6为：

F_rb1＝F_rb2＝F_rb5＝F_rb6＝m_b1*R_b1≠0(其中，m_b1是第一曲拐的离心质量)

F_rb3＝F_rb4＝m_b3*R_b3(其中，m_b3是第二曲拐的离心质量)

曲轴平衡块的力平衡：

4*F_rb1*sin0.5β＝2*F_rb3

曲轴机构的离心惯性力矩平衡：

2*F_rb1*cos(0.5β-60°)*L₀＝F_r1*L₀

由此，就可以求解获得F_rb1。

这样由上述第一、第二、第五和第六平衡块所形成的不平衡量为F_jb1+F_rb1。

(6)针对本文实际情况的分析

由于发动机机体本身的空间限制，因此上述的F_jb1+F_rb1还是无法完全平衡100％离心惯性力矩和50％最大往复惯性力矩，所以需要通过以下关系式来进行计算：

为了尽量减小在皮带轮和飞轮上增加的配重，可以设定F_rb3＝F_rb4＝m_b3*R_b3＝0；

根据图3和图4所示：

(a)曲轴离心惯性力矩平衡：

2*F_rb1*cos30°*L₀＝F_r1*L₀

由此，可以求解获得F_rb1。

(b)往复惯性力矩平衡：

曲轴平衡块力平衡：

F_jb1＝F_jb2＝F_jb5＝F_jb6＝m_jb1*R_b1≠0

m_DR_D＝m_FR_F

其中，m_DR_D为皮带轮质量与其质心位置的乘积，m_FR_F为皮带轮质量与其质心位置的乘积，L₁为皮带轮质心到OY距离，L₂为飞轮质心到OY距离。

当往复惯性力矩为最大值时，为了平衡50％的往复惯性力矩，则可以推导出：

m_DR_D*L₁+2*F_jb1*L₀+2*F_jb5*L₀+m_FR_F*L₂＝0.5*2*m_jRω²*L₀*sin120°

由此，可以求解获得m_DR_D和m_FR_F。

以上所列举的直列三缸发动机曲轴平衡系统的示例仅供说明本发明的原理及其实施方式之用，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员还可以做出各种变形和改进。例如，基于简化结构以及方便设计计算处理的考虑，在本发明中基本上采用了对称结构方式(例如，将前述的第一、第二、第五和第六平衡块都构造成具有完全相同结构；使第一、第二和第三曲柄呈对称且等距布置等)，然而在采用非对称结构的情形下，显然也是可以根据本发明的设计思想来进行相应处理的。因此，所有等同的技术方案均应属于本发明的范畴并为本发明的各项权利要求所限定。

Claims (4)

1.一种直列三缸发动机曲轴平衡系统，其特征在于，所述直列三缸发动机曲轴平衡系统包括曲轴、与所述曲轴平行设置的平衡轴、设于所述曲轴一端且带有第一配重的皮带轮、设于所述曲轴另一端且带有第二配重的飞轮，其中所述曲轴上依次设置有彼此间隔120°且沿轴向等距布置的第一、第二和第三曲拐，所述第一曲拐和第三曲拐的各曲柄上均设置有平衡块，所述平衡轴的转速与所述曲轴的转速相等但转向相反，并且与所述第一、第二和第三曲拐分别对应连接的第一、第二和第三活塞连杆总成均被构造成完全相同。

2.根据权利要求1所述的直列三缸发动机曲轴平衡系统，其特征在于，所述第一曲拐和第三曲拐的各曲柄上的所有平衡块被构造成完全相同。

3.根据权利要求1所述的直列三缸发动机曲轴平衡系统，其特征在于，所述第一曲拐的各曲柄上的所有平衡块被构造成完全相同。

4.根据权利要求1所述的直列三缸发动机曲轴平衡系统，其特征在于，所述第三曲拐的各曲柄上的所有平衡块被构造成完全相同。

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