CN104061280A - 一种柴油机曲柄惯量柔性平衡装置及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种柴油机曲柄惯量柔性平衡装置及其设计方法，所述装置包括曲臂和平衡块，其中曲臂垂直主轴颈轴线的纵截面的下端设有倒“凸”字形的凸台，凸台的两侧分别设有安装限位销的螺纹孔，凸台的端面上设有2个定位螺纹孔；平衡块的纵截面为倒扇形结构，平衡块的上端设有U型槽，U型槽两侧对称分别设有长圆孔，平衡块的下端扇形圆弧面上对应曲臂凸台端面的螺纹孔开有带沉孔的2个通孔，通过套装有弹性元件的定位螺钉与曲臂相连接。本发明由于离心惯性力和一阶往复惯性力得到平衡，改善了曲轴主轴承的负荷分布，利于油膜形成和轴承的润滑，提高了轴承和曲轴的寿命。结构简单，成本低，易维护，减轻了曲轴整体重量，降低了柴油机机体加工和装配的难度。

Description

一种柴油机曲柄惯量柔性平衡装置及其设计方法

技术领域

本发明属于机械设计领域，涉及一种中高速柴油机曲柄惯量柔性平衡装置及其设计方法。

背景技术

柴油机在高速旋转过程中，曲柄销和连杆大头将产生较大的离心惯性力，同时活塞组和连杆小头的往复运动会产生较大的往复惯性力。为平衡上述惯性力，使柴油机曲轴运转更为稳定，一般是在曲柄销曲臂的另一端安装平衡块，凭借平衡块旋转过程中产生的反向离心惯性力与曲柄销和连杆大头产生的离心惯性力相互抵消。对于活塞组和连杆小头产生的一阶往复惯性力，一般采用再增加质量块或者在柴油机内部增设平衡轴的方法来达到平衡效果。

目前公知技术存在如下缺陷：(1)平衡离心惯性力和一阶往复惯性力所需配置的平衡块质量大，增大了主轴承的负荷，不利于油膜产生，润滑条件变差，降低了曲轴寿命。(2)采用平衡轴来进行平衡将大大增加柴油机结构的复杂性，增大柴油机的制造和装配成本。因此，发明一种结构简单可靠，又能自动实现柔性平衡作用的平衡块对提高和改善曲轴主轴承负荷分布、寿命以及运行稳定性都具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题和不足，提供一种结构简单、平衡效果好、适用于中高速柴油机的一种曲柄惯量柔性平衡装置及其设计方法。

为了达到上述目的，本发明实现目的所采取的技术方案是：

一种柴油机曲柄惯量柔性平衡装置，包括相连接的曲臂1和平衡块2，其特征是，所述曲臂1垂直主轴颈6轴线的纵截面的下端设有倒“凸”字形的凸台，凸台的两侧分别开设有安装限位销5的限位销螺纹孔101，凸台的端面上开设有2个定位螺钉螺纹孔102；所述平衡块2的纵截面为倒扇形结构，平衡块2的上端开设有与所述曲臂1下端设有的倒凸台相配合的U型槽202，U型槽202两侧对称分别开设有与限位销5相配合的长圆孔201，平衡块2的下端扇形圆弧面上对应曲臂1凸台端面设有的定位螺钉螺纹孔102开设有带沉孔204的2个通孔203，通过套装有弹性元件3的定位螺钉4与所述曲臂1凸台端面设有的定位螺钉螺纹孔102相连接。

上述所述的平衡块2的下端扇形圆弧面由左右对称的圆弧面Ⅰ205和圆弧面Ⅱ206以及过渡平面207组成，其中圆弧面Ⅱ206圆心与主轴颈6圆心重合，且其半径R1小于曲臂1上端圆弧面至主轴颈6中心的距离。

上述所述的平衡块2左右两侧面形成的张角为2α，大小为120°～140°。

上述所述的沉孔204的孔径大于定位螺钉4大端面直径。

上述所述的通孔203的孔径大于定位螺钉4螺杆直径。

上述所述的弹性元件3为螺旋弹簧或蝶形弹簧中的任一种。

为了达到上述目的，本发明实现目的所采取的另一个技术方案是：

本发明的一种柴油机曲柄惯量柔性平衡装置的设计方法，包括如下步骤：

1、确定离心惯性力和一阶往复惯性力

根据已知柴油机的转速，曲柄销的质量，连杆的质量以及活塞组的质量，按公式(1)和公式(2)分别确定曲柄销和连杆大头所产生的离心惯性力P_r以及活塞组和连杆小头产生的一阶往复惯性力P_jΙ；

离心惯性力：P_r＝-m_rRω² (1)

一阶往复惯性力：P_jΙ＝-m_jRw²cosβ (2)

式中w为曲轴旋转角速度，R为曲柄销轴心线到曲轴旋转中心距离，β为曲轴转角，m_r为曲柄销和连杆大头质量，m_j为活塞组和连杆小头质量。

2、确定平衡块的外形、重量以及重心位置

根据曲柄销和连杆大头产生的离心力，按公式(3)、(4)和(5)分别设计出平衡块，平衡块中心位置y_G以及扇形质量块重量G；其所产生的离心力y_GG与曲柄销和连杆大头产生的离心惯性力相平衡。

平衡块中心位置：

扇形质量块重量： $G=\π(R^2-r^2)\frac{2\mathrm{\α}}{360}\mathrm{\γb}---\left(4\right)$

平衡块产生离心力： $y_{G}G=\frac{2}{3}(R^3-r^3)\mathrm{\γ}b\sin \mathrm{\α}---\left(5\right)$

式中α为平衡块扇形张角的一半，通常为60°～70°，γ为材料重度，b为平衡块厚度。

3、确定平衡块的极限位移量

根据平衡块产生离心力平衡离心惯性力P_r和一阶往复惯性力P_jΙ关系式(6)和(7)，按公式(8)确定平衡块位移量x；

离心惯性力和一阶往复惯性力平衡关系式：

G(y_G+x)＝P_r+P_jΙ (6)

离心惯性力平衡关系式：y_GG＝P_r (7)

平衡块位移量： $x=\frac{P_{\mathrm{jI}}}{G}=\frac{m_j{\mathrm{Rw}}^2\cos \mathrm{\β}}{G}---\left(8\right)$

式中G为扇形平衡块重量，y_G为平衡块中心位置，P_r为离心惯性力，P_jΙ为一阶往复惯性力，w为曲轴旋转角速度，R为曲柄销轴心线到曲轴旋转中心距离，β为曲轴转角，m_j为活塞组和连杆小头质量。

4、确定所需弹性元件的刚度K的值

根据此时弹性元件力与平衡块离心力相等关系，按公式(9)确定弹性元件刚度值K

$K=\frac{G(y_G+x)}{x}---\left(9\right)$

式中G为扇形平衡块重量，y_G为平衡块中心位置，x为平衡块位移量。

本发明与现有技术相比较所具有的优点和有益效果：

1、本发明采用平衡块随着曲轴一起旋转，在自身离心力作用下产生径向方向上的位移，从而增大离心惯性力，平衡了曲柄销和连杆大头离心惯性力，同时平衡一部分活塞组和连杆小头产生一阶的往复惯性力。

2、本发明由于离心惯性力和一阶往复惯性力得到平衡，大大改善了曲轴主轴承的负荷分布，有利于油膜的形成，保证轴承有良好的润滑条件，提高了轴承和曲轴的寿命。

3、本发明结构简单，成本低，容易维护，减轻了曲轴整体重量，降低了柴油机机体加工和装配的难度。

附图说明

图1为本发明的柴油机曲柄惯量柔性平衡装置的主剖视图；

图2为图1的左视图；

图3为本发明曲臂1部件主视图；

图4为本发明平衡块2部件主视图；

图5为本发明限位销5部件主视图；

图6为图1的A局部放大图；

图7为本发明柔性平衡装置的设计方法流程图；

其中：1—曲臂，101—限位销螺纹孔，102—定位螺钉螺纹孔，2—平衡块，201—长圆孔，202—U型槽，203—通孔，204—沉孔，205—圆弧面Ⅰ，206—圆弧面Ⅱ，207—过渡平面，3—弹性元件，301—限位销光轴段，302—限位销螺纹段，4—定位螺钉，5—限位销，6—主轴颈，7—曲柄销。

具体实施方式

如图1至图4所示的一种柴油机曲柄惯量柔性平衡装置，自上而下依次由曲柄销7，曲臂1，主轴颈6，限位销5，平衡块2，弹性元件3，定位螺钉4相连构成，其中曲臂1下端与平衡块2上端通过倒凸台与U型槽202配合连接，且平衡块2由左右对称、套装在定位螺钉4上的弹性元件3压紧在曲臂1上，弹性元件3位于平衡块2下端部的沉孔204内，定位螺钉4穿过平衡块2内通孔203固定于倒凸台底面定位螺钉螺纹孔102内，定位螺钉4下端面与平衡块2过渡平面207齐平，限位销5穿过平衡块2上部U型槽202两侧左右对称布置的长圆孔201连接固定于曲臂1倒凸台两侧的限位销螺纹孔101内。

如图1和图4所示，平衡块2的纵截面为倒扇形结构，其下端扇形圆弧面由左右相对称的圆弧面Ⅰ205和圆弧面Ⅱ206以及过渡平面207组成，其中圆弧面Ⅱ206圆心与主轴颈6圆心重合，且其半径R1小于曲臂1上端圆弧面至主轴颈6中心的距离，保证不发生运动干涉，平衡块2张角2α在120°～140°之间，平衡块2上端开设有与曲臂1下部倒凸台相配合的U型槽202，U型槽202两侧对称开设与限位销5相配合的长圆孔201，长圆孔201的长度控制平衡块2径向位移量，起到限制平衡块极限位移的作用，在平衡块2下端过渡平面207上，且对应曲臂1倒凸台底部定位螺钉螺纹孔102位置处，自下而上对称开设带有沉孔204的2个通孔203，沉孔204的孔径大于定位螺钉4大端面直径，沉孔204内放置弹性元件3，对弹性元件3起到定位导向作用，通孔203孔径大于定位螺钉4杆身直径，保证扇形平衡块2能够在其径向方向上自由移动。

如图1和图5所示，所述的定位螺钉4穿过平衡块2中通孔203采用螺纹连接方式固定于曲臂1倒凸台底部定位螺钉螺纹孔102内，其长度约为贯穿平衡块2内通孔203深度，沉孔204深度以及曲臂1倒凸台上定位螺钉螺纹孔102深度之和，弹性元件3放置于平衡块2所开的沉孔204内，定位螺钉4大端面与弹性元件3相配合压紧弹性元件3，压力通过弹性元件3传递到平衡块2上，将平衡块2上部U型槽202与曲臂1下部倒凸台紧密贴合，其中弹性元件3可以是螺旋弹簧或蝶形弹簧中任一种。当柴油机曲轴静止状态情况下保证平衡块2上部U型槽202与曲臂1的倒凸台配合压紧，当曲轴旋转时，定位螺钉4承受由弹性元件3传递的平衡块2径向向外方向的离心力，平衡块2沿径向方向发生滑移，此时曲臂1倒凸台与平衡块2上部U型槽202贴合且对平衡块2径向方向的位移起导向作用。

如图1和图6所示，限位销5穿过平衡块2上部U型槽202侧面左右对称开设的长圆孔201连接固定于曲臂1倒凸台侧面的限位销螺纹孔101内。限位销5由左端限位销光轴段301，右端限位销螺纹段302组成，其限位销螺纹段302与限位销螺纹孔101配合连接，限位销光轴段301与U型槽202配合，其作用是限制平衡块2的位移量，防止其超出弹性元件压缩范围，保证其达到所需的平衡效果。

本发明提供一种柔性平衡装置的设计方法，包括如下步骤：

第一步：S1确定离心惯性力和一阶往复惯性力

根据已知柴油机转速，曲柄销质量，连杆质量以及活塞组质量，按公式(1)和公式(2)确定曲柄销和连杆大头所产生离心惯性力P_r以及活塞组和连杆小头产生的一阶往复惯性力P_jΙ；

其中主要公式如下：

离心惯性力：P_r＝-m_rRω² (1)

一阶往复惯性力：P_jΙ＝-m_jRw²cosβ (2)

式中w为曲轴旋转角速度，R为曲柄销轴心线到曲轴旋转中心距离，β为曲轴转角，m_r为曲柄销和连杆大头质量，m_j为活塞组和连杆小头质量。

第二步：S2确定平衡块的外形、重量以及重心位置

根据曲柄销和连杆大头产生的离心力，按公式(3)、(4)和(5)分别设计出平衡块中心位置y_G以及扇形重量G；其所产生的离心力y_GG与曲柄销和连杆大头产生的离心惯性力相平衡。

其中主要公式如下：

平衡块中心位置：

扇形质量块重量： $G=\π(R^2-r^2)\frac{2\mathrm{\α}}{360}\mathrm{\γb}---\left(4\right)$

平衡块产生离心力： $y_{G}G=\frac{2}{3}(R^3-r^3)\mathrm{\γ}b\sin \mathrm{\α}---\left(5\right)$

式中α为平衡块扇形张角的一半，通常为60°～70°，γ为材料重度，b为平衡块厚度。

第三步：S3确定平衡块的极限位移量

根据平衡块产生离心力平衡离心惯性力P_r和一阶往复惯性力P_jΙ关系，按公式(6)、(7)和(8)确定平衡块位移量x；

其中主要公式如下：

离心惯性力和一阶往复惯性力平衡关系式：

G(y_G+x)＝P_r+P_jΙ (6)

离心惯性力平衡关系式：y_GG＝P_r (7)

平衡块位移量： $x=\frac{P_{\mathrm{jI}}}{G}=\frac{m_j{\mathrm{Rw}}^2\cos \mathrm{\β}}{G}---\left(8\right)$

式中G为扇形平衡块重量，y_G为平衡块中心位置，P_r为离心惯性力，P_jΙ为一阶往复惯性力，w为曲轴旋转角速度，R为曲柄销轴心线到曲轴旋转中心距离，β为曲轴转角，m_j为活塞组和连杆小头质量。

第四步：S4确定所需弹性元件的刚度K的值

根据此时弹性元件力与平衡块离心力相等关系，按公式(9)确定弹性元件刚度值K

其中主要公式如下：

$K=\frac{G(y_G+x)}{x}---\left(9\right)$

式中G为扇形平衡块重量，y_G为平衡块中心位置，x为平衡块位移量。

第五步：S5装备各零部件

根据上述思路方法选用或设计出本发明包含的零件，然后进行装配。先将弹性元件3套入定位螺钉4，然后将定位螺钉4穿过平衡块2的通孔203并通过螺纹连接方式将平衡块2上部U型槽与曲臂1倒凸台紧密贴合，最后将限位销5穿过平衡块2上部U型槽两侧面的长圆孔201并通过螺纹连接方式固定在曲臂1倒凸台侧面的螺纹孔101内，完成整个装配过程。

工作原理：

柴油机静止时，平衡块2在弹性元件3的一定预紧力作用下，平衡块2上部U型槽202被压紧贴合在曲臂1倒凸台上。

柴油机从静止开始运转，由于平衡块2自身产生沿径向方向向外的离心力，发生沿径向方向的位移，当柴油机旋转速度持续升高时，弹性元件3持续受力压缩，压缩的弹性元件3由固定在曲臂1倒凸台上的定位螺钉4顶住，平衡块2的离心力与弹性元件的弹性力处于非平衡状态，弹性元件3压缩量继续变大，为控制平衡块2位移量不超出所需值，使用限位销5穿过扇形平衡块2上部U型槽202侧面长圆孔201并采用螺纹连接固定于曲臂1倒凸台侧面限位销螺纹孔101内，限制扇形平衡块2的径向最大位移。

柴油机达到稳定工作转速时，弹性元件3弹力与平衡块2离心力达到平衡状态，平衡块2由于旋转产生的离心力处于稳定状态，弹性元件3压缩量也达到稳定值。

平衡块2在初始位置旋转时，其自身惯性力能够与曲柄销和连杆大头的惯性力相平衡，当柴油机达到稳定转速时，平衡块在自身离心力作用下发生径向方向位移，其重心距旋转半径距离变大，所产生的离心力也变大，当采用本发明设计的平衡块和选用刚度确定的弹性元件时，可以保证其最终离心力不仅能够抵消曲柄销和连杆大头的离心惯性力，同时还能消除活塞组和连杆小头的一阶往复惯性力，保证了主轴承所受载荷，曲轴平稳运转，提高主轴承和曲轴的使用寿命。

Claims (7)

1.一种柴油机曲柄惯量柔性平衡装置，包括相连接的曲臂(1)和平衡块(2)，其特征是，所述曲臂(1)垂直主轴颈(6)轴线的纵截面的下端设有倒“凸”字形的凸台，凸台的两侧分别开设有安装限位销(5)的限位销螺纹孔(101)，凸台的端面上开设有2个定位螺钉螺纹孔(102)；所述平衡块(2)的纵截面为倒扇形结构，平衡块(2)的上端开设有与所述曲臂(1)下端设有的倒凸台相配合的U型槽(202)，U型槽(202)两侧对称分别开设有与限位销(5)相配合的长圆孔(201)，平衡块(2)的下端扇形圆弧面上对应曲臂(1)凸台端面设有的定位螺钉螺纹孔(102)处开设有带沉孔(204)的2个通孔(203)，通过套装有弹性元件(3)的定位螺钉(4)与所述曲臂(1)凸台端面设有的定位螺钉螺纹孔(102)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种柴油机曲柄惯量柔性平衡装置，其特征是，所述的平衡块(2)的下端扇形圆弧面由左右对称的圆弧面Ⅰ(205)和圆弧面Ⅱ(206)以及过渡平面(207)组成，其中圆弧面Ⅱ(206)圆心与主轴颈(6)圆心重合，且其半径(R1)小于曲臂(1)上端圆弧面至主轴颈(6)中心的距离。

3.根据权利要求1所述的一种柴油机曲柄惯量柔性平衡装置，其特征是，所述的平衡块(2)左右两侧面形成的张角为2α，大小为120°～140°。

4.根据权利要求1所述的一种柴油机曲柄惯量柔性平衡装置，其特征是，所述的沉孔(204)的孔径大于定位螺钉(4)大端面直径。

5.根据权利要求1所述的一种柴油机曲柄惯量柔性平衡装置，其特征是，所述的通孔(203)的孔径大于定位螺钉(4)螺杆直径。

6.根据权利要求1所述的一种柴油机曲柄惯量柔性平衡装置，其特征是，所述的弹性元件(3)为螺旋弹簧或蝶形弹簧中的任一种。

7.一种根据权利要求1所述的柴油机曲柄惯量柔性平衡装置的设计方法，其特征是包括如下步骤：

1)、确定离心惯性力和一阶往复惯性力

根据已知柴油机的转速，曲柄销的质量，连杆的质量以及活塞组的质量，按公式(1)和公式(2)分别确定曲柄销和连杆大头所产生的离心惯性力P_r以及活塞组和连杆小头产生的一阶往复惯性力P_jΙ；

离心惯性力：P_r＝-m_rRω² (1)

一阶往复惯性力：P_jΙ＝-m_jRw²cosβ (2)

式中w为曲轴旋转角速度，R为曲柄销轴心线到曲轴旋转中心距离，β为曲轴转角，m_r为曲柄销和连杆大头质量，m_j为活塞组和连杆小头质量。

2)、确定平衡块的外形、重量以及重心位置

根据曲柄销和连杆大头产生的离心力，按公式(3)、(4)和(5)分别设计出平衡块，平衡块中心位置y_G以及扇形质量块重量G；其所产生的离心力y_GG与曲柄销和连杆大头产生的离心惯性力相平衡。

平衡块中心位置：

扇形质量块重量： $G=\π(R^2-r^2)\frac{2\mathrm{\α}}{360}\mathrm{\γb}---\left(4\right)$

平衡块产生离心力： $y_{G}G=\frac{2}{3}(R^3-r^3)\mathrm{\γ}b\sin \mathrm{\α}---\left(5\right)$

式中α为平衡块扇形张角的一半，通常为60°～70°，γ为材料重度，b为平衡块厚度。

3)、确定平衡块的极限位移量

根据平衡块产生离心力平衡离心惯性力P_r和一阶往复惯性力P_jΙ关系式(6)

和(7)，按公式(8)确定平衡块位移量x；

离心惯性力和一阶往复惯性力平衡关系式：

G(y_G+x)＝P_r+P_jΙ (6)

离心惯性力平衡关系式：y_GG＝P_r (7)

平衡块位移量： $x=\frac{P_{\mathrm{jI}}}{G}=\frac{m_j{\mathrm{Rw}}^2\cos \mathrm{\β}}{G}---\left(8\right)$

式中G为扇形平衡块重量，y_G为平衡块中心位置，P_r为离心惯性力，P_jΙ为一阶往复惯性力，w为曲轴旋转角速度，R为曲柄销轴心线到曲轴旋转中心距离，β为曲轴转角，m_j为活塞组和连杆小头质量。

4)、确定所需弹性元件的刚度K的值

根据此时弹性元件力与平衡块离心力相等关系，按公式(9)确定弹性元件刚度值K

$K=\frac{G(y_G+x)}{x}---\left(9\right)$

式中G为扇形平衡块重量，y_G为平衡块中心位置，x为平衡块位移量。