CN105508502A - 一种五缸柴油发动机曲轴平衡系统 - Google Patents

一种五缸柴油发动机曲轴平衡系统 Download PDF

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Abstract

一种五缸柴油发动机曲轴平衡系统，包括曲轴、平衡块和平衡机构，曲轴包括自由端、功率输出端和曲拐，曲拐沿自由端至功率输出端方向依次为第一曲拐、第二曲拐、第三曲拐、第四曲拐和第五曲拐，其特征在于：第一曲拐的曲柄上设有平衡块I，第五曲拐的曲柄上设有平衡块Ⅱ，第二曲拐中靠近功率输出端的曲柄上设有平衡块Ⅲ，第四曲拐中靠近自由端的曲柄上设有平衡块Ⅳ，第二曲拐上设有第一驱动齿圈，驱动第一套平衡机构，第四曲拐上设有第二驱动齿圈，驱动第二套平衡机构。本发明的优点：有效解决了五缸柴油发动机的旋转惯性力矩、一阶往复惯性力矩和二阶往复惯性力矩不平衡的问题，使发动机可以满足震动要求，促进了五缸柴油发动机的应用与发展。

Description

一种五缸柴油发动机曲轴平衡系统
技术领域
本发明涉及一种五缸柴油发动机曲轴平衡系统，属于柴油机的平衡技术领域。
背景技术
在发动机领域，六缸柴油发动机由于具有良好的平衡性与稳定性而占据了当今柴油发动机的大部分市场。可是当用户需求的功率较小时，装用六缸柴油发动机会有部分功率溢出，且由于发动机的重量过大，用户的油耗也会相应的提升，这会导致在增加购车成本的同时也增加了使用成本，从而降低了产品在市场上的竞争力，因此五缸柴油发动机的应用具有其必要性。但是发动机中的曲柄机构在工作时会产生一个往复惯性力和旋转惯性力，也会产生相应的往复惯性力矩和旋转惯性力矩，对于五缸柴油发动机，其旋转惯性力和往复惯性力可以实现自平衡，但是其旋转惯性力矩、一阶往复惯性力矩和二阶往复惯性力矩都不平衡，因此五缸柴油发动机的平衡性较差，易引起整机较大的震动，这些因素限制了五缸柴油发动机的应用与发展。
发明内容
本发明的目的就是为解决现有技术存在的问题，而设计了一种五缸柴油发动机曲轴平衡系统，通过在曲轴上布置平衡块和平衡机构，解决了发动机旋转惯性力矩、一阶往复惯性力矩和二阶往复惯性力矩不平衡的问题，使五缸柴油发动机整机可以满足震动要求，也进一步促进了五缸柴油发动机的应用与发展。
本发明的技术方案为：一种五缸柴油发动机曲轴平衡系统，包括曲轴、平衡块和平衡机构，曲轴包括自由端、功率输出端和曲拐，所述曲拐沿自由端至功率输出端方向依次为第一曲拐、第二曲拐、第三曲拐、第四曲拐和第五曲拐，其特征在于：第一曲拐的曲柄上设置有平衡块I，第五曲拐的曲柄上设置有平衡块Ⅱ，第二曲拐中靠近功率输出端的曲柄上设置有平衡块Ⅲ，第四曲拐中靠近自由端的曲柄上设置有平衡块Ⅳ。
第二曲拐中靠近自由端的曲柄上设置有第一驱动齿圈，第四曲拐中靠近功率输出端的曲柄上设置有第二驱动齿圈，所述平衡机构包括第一套平衡机构和第二套平衡机构，第一驱动齿圈驱动连接第一套平衡机构，第二驱动齿圈驱动连接第二套平衡机构。
当平衡块I设置于第一曲拐中靠近自由端的曲柄上时，平衡块II设置于第五曲拐中靠近功率输出端的曲柄上；当平衡块I设置于第一曲拐中靠近功率输出端的曲柄上时，平衡块II设置于第五曲拐中靠近自由端的曲柄上。
沿曲轴的自由端至功率输出端方向投影，沿顺时针方向依次为第一曲拐、第四曲拐、第三曲拐、第二曲拐、第五曲拐，其中，第一曲拐与第四曲拐之间、第四曲拐与第三曲拐之间、第三曲拐与第二曲拐之间、第二曲拐与第五曲拐之间的角度间隔均为72°。
所述第一套平衡机构和第二套平衡机构分别包括平衡齿轮、平衡轴、平衡轴支撑座和偏心质量块，其中，平衡轴与曲轴平行设置，两个平衡齿轮之间相互啮合，其中一个平衡齿轮与驱动齿圈啮合，所述偏心质量块固定连接于平衡齿轮上。
所述第一套平衡机构和第二套平衡机构中的任意一者中，位于两个平衡齿轮上的偏心质量块沿平衡轴中心连线的中垂线对称布置，在初始安装时，第一套平衡机构中平衡齿轮上的偏心质量块与第二套平衡机构中同一侧平衡齿轮上的偏心质量块互为180°安装。
所述平衡机构与曲轴的速比为2：1。
所述第一套平衡机构和第二套平衡机构中的任意一者中，两个平衡齿轮之间的啮合速比为1：1。
本发明的有益效果：通过在第一曲拐、第二曲拐、第四曲拐和第五曲拐的曲柄上设置平衡块，平衡块随曲轴旋转时产生的旋转惯性力矩既能完全抵消曲轴产生的旋转惯性力矩，又可以将一阶往复惯性力矩减小50％、将一阶往复惯性力矩分解到竖直和水平方向上的数值较小的分量；通过在曲轴自由端和功率输出端两端分别设置平衡机构，由平衡机构产生的旋转惯性力矩可以完全抵消曲柄机构所产生的二阶往复惯性力矩。本发明的平衡系统有效的解决了五缸柴油发动机的旋转惯性力矩、一阶往复惯性力矩和二阶往复惯性力矩不平衡的问题，使五缸柴油发动机整机可以满足震动要求，进一步促进了五缸柴油发动机的应用与发展。
由此可见，本发明与现有技术相比具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为曲轴的结构示意图；
图3为曲轴各曲拐的位置关系示意图；
图4为第一曲拐上平衡块与曲柄的位置结构示意图；
图5为驱动齿圈与平衡机构的结构示意图。
其中，1为曲轴，2为平衡机构，2-1为平衡轴，2-2为平衡齿轮，2-3为平衡轴支撑座，2-4为偏心质量块，3为自由端，4为功率输出端，5为第一曲拐，5-1为曲柄，6为第二曲拐，7为第三曲拐，8为第四曲拐，9为第五曲拐，10为平衡块I，11为平衡块II，12为平衡块III，13为平衡块IV，14为驱动齿圈。
具体实施方式：
为了更好地理解本发明，下面结合附图来详细解释本发明的实施方式。
如图1、图2、图3、图4和图5所示的一种五缸柴油发动机曲轴平衡系统，包括曲轴1和两套平衡机构2，该柴油机选用1-2-4-5-3的点火顺序，曲轴1包括自由端3、功率输出端4、曲拐和驱动齿圈14，其中曲拐沿自由端3至功率输出端4方向依次为第一曲拐5、第二曲拐6、第三曲拐7、第四曲拐8和第五曲拐9，如图3所示，沿曲轴的自由端至功率输出端投影，沿顺时针方向依次为第一曲拐5、第四曲拐8、第三曲拐7、第二曲拐6和第五曲拐9，其中，第一曲拐5与第四曲拐8之间、第四曲拐8与第三曲拐7之间、第三曲拐7与第二曲拐6之间、第二曲拐6与第五曲拐9之间的角度间隔均为72°。所述第一曲拐5、第二曲拐6、第三曲拐7、第四曲拐8和第五曲拐9上分别对应安装有发动机中的第一缸、第二缸、第三缸、第四缸和第五缸。第一曲拐5上设置有平衡块I10,第五曲拐9上设置有平衡块II11,其设置方式有两种，当平衡块I10设置于第一曲拐5中靠近自由端3的曲柄上时，平衡块II11设置于第五曲拐9中靠近功率输出端4的曲柄上，如图1或图2所示；当平衡块I10设置于第一曲拐5中靠近功率输出端4的曲柄上时，平衡块II11设置于第五曲拐9中靠近自由端3的曲柄上。以第一曲拐5为例，图4为第一曲拐5上平衡块与曲柄的位置结构示意图。出于曲轴后期平衡修正等工艺加工上的考虑，在第二曲拐6中靠近功率输出端4的曲柄上设置有平衡块III12，第四曲拐8中靠近自由端3的曲柄上设置有平衡块IV13。平衡块I10、平衡块II11、平衡块III12和平衡块IV13在旋转过程中产生的旋转惯性力矩可完全平衡曲柄机构产生的旋转惯性力矩。
通过在设计过程中，将平衡块I10和平衡块II11的质量增大，平衡块I10、平衡块II11、平衡块III12和平衡块IV13在旋转过程中产生的旋转惯性力矩在完全平衡曲柄机构的旋转惯性力矩的同时还能够削减曲柄机构产生的一阶往复惯性力矩，将一阶往复惯性力的50％转移至水平方向。
第二曲拐6中靠近自由端3的曲柄上设置有第一驱动齿圈，第四曲拐8中靠近功率输出端4的曲柄上设置有第二驱动齿圈，所述平衡机构2包括第一套平衡机构和第二套平衡机构，第一驱动齿圈驱动连接第一套平衡机构，第二驱动齿圈驱动连接第二套平衡机构。如图5所示，所述第一套平衡机构和第二套平衡机构分别包括平衡轴2-1、平衡齿轮2-2、平衡轴支撑座2-3和偏心质量块2-4，其中平衡轴2-1与所述曲轴1平行，两个平衡齿轮2-2之间相互啮合，其中一个平衡齿轮2-2与驱动齿圈啮合、并驱动另一平衡齿轮旋转，偏心质量块2-4固定连接于平衡齿轮2-2上。两个平衡齿轮2-2之间的啮合速比为1：1、旋转方向相反，平衡齿轮2-2和曲轴1的速比为2:1。平衡轴2-1和平衡齿轮2-2之间为热套连接。第一套平衡机构和第二套平衡机构中的任意一者中，位于两个平衡齿轮2-2上的偏心质量块2-4沿平衡轴2-1中心连线的中垂线对称布置，在初始安装时，第一套平衡机构中平衡齿轮2-2上的偏心质量块2-4与第二套平衡机构中同一侧平衡齿轮2-2上的偏心质量块2-4互为180°安装。由第一套平衡机构和第二套平衡机构共同产生的旋转惯性力矩可用来完全平衡曲柄机构产生的二阶往复惯性力矩。
曲柄机构产生的旋转惯性力矩、一阶往复惯性力矩和二阶往复惯性力矩的平衡过程作如下说明：
(1)曲柄机构的旋转惯性力矩
首先，对第五缸中心取矩，则第一缸、第二缸、第三缸、第四缸和第五缸所对应的旋转惯性力矩分别为：
Mi1＝4a*Fi1＝4amiRω2*cos(ωt)
Mi2＝3a*Fi2＝miRω2*cos(ωt-144°)
Mi3＝2a*Fi3＝miRω2*cos(ωt-216°)
Mi4＝4a*Fi4＝miRω2*cos(ωt-288°)
Mi5＝0
其中a为缸心距，Fi1、Fi2、Fi3、Fi4和Fi5分别为第一缸、第二缸、第三缸、第四缸和第五缸所对应的旋转惯性力，mi为单缸曲柄连杆组的旋转质量，R为曲柄半径，ω为曲柄机构的旋转角速度，t曲柄机构旋转的时间，ωt为曲柄机构与其所对应气缸的上止点之间的旋转角度。
则旋转惯性力矩的合力矩：
Mi＝Mi1+Mi2+Mi3+Mi4+Mj5＝0.449amiRω2*cos(ωt+54°)
由上式可得旋转惯性力矩存在于曲轴第一缸上止点前54°，并随着曲轴旋转而旋转，其数值大小为0.449amjRω2。在本发明中，通过增加平衡块I10、平衡块II11、平衡块III12和平衡块IV13来抵消该旋转惯性力矩，令平衡块I10、平衡块II11、平衡块III12和平衡块IV13在旋转过程中产生的旋转惯性力矩为：
Mp＝0.449amjRω2*cos(ωt-126°)
可得平衡后的旋转惯性力矩：
Mi′＝Mi+Mp＝0.449amjRω2*cos(ωt+54°)+0.449amjRω2*cos(ωt-126°)＝0
即曲柄机构产生的旋转惯性力矩被完全被抵消掉。
(2)曲柄机构的往复惯性力矩
对第五缸中心取矩，则第一缸、第二缸、第三缸、第四缸和第五缸所对应的往复惯性力矩分别为：
Mj1＝Pj1*4a＝4amjRω2*cos(ωt)+4amjRλω2*cos2(ωt)
Mj2＝Pj2*3a＝3amjRω2*cos(ωt-144°)+3amjRλω2*cos2(ωt-144°)
Mj3＝Pj3*2a＝2amjRω2*cos(ωt-216°)+2amjRλω2*cos2(ωt-216°)
Mj4＝Pj4*a＝amjRω2*cos(ωt-288°)+amjRλω2*cos2(ωt-288°)
Mj5＝0
其中，Pj1、Pj2、Pj3、Pj4和Pj5分别为第一缸、第二缸、第三缸、第四缸和第五缸所对应的往复惯性力，mj为单缸活塞连杆总成的往复质量。
则往复惯性力矩的合力矩为：
Mj＝Mj1+Mj2+Mj3+Mj4+Mj5＝0.449amjRω2*cos(ωt+54°)+4.98amjRλω2*cos(2ωt+18°)
(a)一阶往复惯性力矩
从上述推导可以得出，一阶往复惯性力矩为：
MjⅠ＝0.449amjRω2*cos(ωt+54°)
其方向沿气缸中心平面，其最大值为0.449amjRω2、位于一缸上止点前54°。由于第一曲拐5和第五曲拐9之间距离最远，在其上增加平衡块后产生旋转惯性力矩的效果最好，因此增大平衡块I1和平衡块II11的质量，使得平衡块I10、平衡块II11、平衡块III12和平衡块IV13在旋转的过程中产生的旋转力矩：
Mp′＝0.449amiRω2*cos(ωt-126°)+(0.449/2)amjRω2*cos(ωt-126°)
其中(0.449/2)amjRω2*cos(ωt-126°)为在平衡块I10和平衡块II11上增加的质量所产生的旋转惯性力矩，用来平衡一阶往复惯性力矩，其竖直分量和水平分量分别为：
M竖＝(0.449/2)amjRω2*cos(ωt-126°)
M水＝(0.449/2)amjRω2*sin(ωt-126°)，
因此，平衡后的一阶往复惯性力矩可被分解到水平方向与竖直方向，其竖直分量和水平分量分别为：
MjI竖′＝0.449amjRω2*cos(ωt+54°)+(0.449/2)amjRω2*cos(ωt-126°)＝(0.449/2)amjRω2*cos(ωt+54°)＝MjⅠ/2
MjI水′＝(0.449/2)amjRω2*sin(ωt-126°)＝-(0.449/2)amjRω2*sin(ωt+54°)
即通过在平衡块10和平衡块11上增大质量可以有效的平衡50％的一阶往复惯性力矩，将一阶往复惯性力削减到竖直和水平方向上的数值较小的分量。
(b)二阶往复惯性力矩
从往复惯性力矩的推导公式可以看出，二阶往复惯性力矩为：
MjⅡ＝4.98amjRλω2*cos(2ωt+18°)
通过设置平衡机构的初始值，第一套平衡机构平衡和第二套平衡机构平衡机构产生的旋转惯性力分别为：
F1＝mrR(2ω)2cos(2ωt-162°)＝4ω2mrRcos(2ωt-162°)
F2＝mrR(2ω)2cos(2ωt+18°)＝4ω2mrRcos(2ωt+18°)
由两套平衡机构共同产生的旋转惯性力矩：
M旋＝4ω2mrRLcos(2ωt-162°)
其中，L为第一套平衡机构与第二套平衡机构之间的距离，mr为偏心质量块的质量。
令4mrRL＝4.98amjRλ，可得到：
M旋＝4ω2mrRLcos(2ωt-162°)＝4.98amjRλcos(2ωt-162°)
＝-4.98amjRλcos(2ωt+18°)＝-MjⅡ
则加入第一套平衡机构和第二套平衡机构后，二阶往复惯性力矩为：
MjⅡ′＝M旋+MjⅡ＝0
即二阶往复惯性力矩得到完全平衡。
上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种五缸柴油发动机曲轴平衡系统，包括曲轴、平衡块和平衡机构，曲轴包括自由端、功率输出端和曲拐，所述曲拐沿自由端至功率输出端方向依次为第一曲拐、第二曲拐、第三曲拐、第四曲拐和第五曲拐，其特征在于：第一曲拐的曲柄上设置有平衡块I，第五曲拐的曲柄上设置有平衡块Ⅱ，第二曲拐中靠近功率输出端的曲柄上设置有平衡块Ⅲ，第四曲拐中靠近自由端的曲柄上设置有平衡块Ⅳ。
2.根据权利要求1所述的五缸柴油发动机曲轴平衡系统，其特征在于：第二曲拐中靠近自由端的曲柄上设置有第一驱动齿圈，第四曲拐中靠近功率输出端的曲柄上设置有第二驱动齿圈，所述平衡机构包括第一套平衡机构和第二套平衡机构，第一驱动齿圈驱动连接第一套平衡机构，第二驱动齿圈驱动连接第二套平衡机构。
3.根据权利要求1或2所述的五缸柴油发动机曲轴平衡系统，其特征在于：当平衡块I设置于第一曲拐中靠近自由端的曲柄上时，平衡块II设置于第五曲拐中靠近功率输出端的曲柄上；当平衡块I设置于第一曲拐中靠近功率输出端的曲柄上时，平衡块II设置于第五曲拐中靠近自由端的曲柄上。
4.根据权利要求3所述的五缸柴油发动机曲轴平衡系统，其特征在于：沿曲轴的自由端至功率输出端方向投影，沿顺时针方向依次为第一曲拐、第四曲拐、第三曲拐、第二曲拐、第五曲拐，其中，第一曲拐与第四曲拐之间、第四曲拐与第三曲拐之间、第三曲拐与第二曲拐之间、第二曲拐与第五曲拐之间的角度间隔均为72°。
5.根据权利要求2所述的五缸柴油发动机曲轴平衡系统，其特征在于：所述第一套平衡机构和第二套平衡机构分别包括平衡齿轮、平衡轴、平衡轴支撑座和偏心质量块，其中，平衡轴与曲轴平行设置，两个平衡齿轮之间相互啮合，其中一个平衡齿轮与驱动齿圈啮合，所述偏心质量块固定连接于平衡齿轮上。
6.根据权利要求5所述的五缸柴油发动机曲轴平衡系统，其特征在于：所述第一套平衡机构和第二套平衡机构中的任意一者中，位于两个平衡齿轮上的偏心质量块沿平衡轴中心连线的中垂线对称布置，在初始安装时，第一套平衡机构中平衡齿轮上的偏心质量块与第二套平衡机构中同一侧平衡齿轮上的偏心质量块互为180°安装。
7.根据权利要求6所述的五缸柴油发动机曲轴平衡系统，其特征在于：所述平衡机构与曲轴的速比为2：1。
8.根据权利要求7所述的五缸柴油发动机曲轴平衡系统，其特征在于：所述第一套平衡机构和第二套平衡机构中的任意一者中，两个平衡齿轮之间的啮合速比为1：1。
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