CN107869388B

CN107869388B - 发动机

Info

Publication number: CN107869388B
Application number: CN201710858539.4A
Authority: CN
Inventors: 石川满; 茅沼秀高
Original assignee: Ishikawa Energy Research Co Ltd
Current assignee: Ie Co ltd; Ishikawa Energy Co ltd; Ishikawa Energy Research Co Ltd
Priority date: 2016-09-23
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2021-06-22
Anticipated expiration: 2037-09-21
Also published as: JP6866996B2; JP2018048616A; CN107869388A

Abstract

本发明提供一种发动机，其能够减轻因曲轴的变化扭矩而引起的振动。本发明的发动机(10)为了抑制一阶惯性力，在曲轴(14)形成有平衡块(28)，在平衡齿轮(23)形成有平衡块(21)。此外，通过使平衡轴(15)周围的惯性力矩与曲轴(14)周围的惯性力矩近似，能够抵消曲轴(14)的变化扭矩，谋求进一步减轻发动机(10)的振动。

Description

发动机

技术领域

本发明涉及内置用来减轻振动的机构的发动机。本发明特别涉及减轻因曲轴的变化扭矩而引起的振动的发动机。

背景技术

在普通的发动机中，通过使汽油等燃料爆炸而使活塞往复运动，通过曲轴将该往复运动转换为旋转运动，从与曲轴连接的驱动轴向外部输出旋转扭矩。这样的发动机也称为往复式发动机。

当上述结构的发动机运转时，因活塞的往复运动以及曲轴的旋转运动等而产生振动，所以，有时为了抑制该振动而在发动机的内部内置平衡轴。通过所谓偏心轴即平衡轴与曲轴一起旋转，能够减轻由曲轴产生的振动。

在下述专利文献1中记载了一种发动机的平衡装置。在此，在发动机的曲轴箱的内部配置设有飞轮的平衡轴，该平衡轴经由齿轮与曲轴连接。另外，在平衡轴形成有平衡配重。由此，通过平衡轴与曲轴一起进行旋转，起到减轻发动机振动的效果。

发明所要解决的技术问题

然而，在具有上述平衡轴的发动机中，虽然起到了抑制因发动机驱动而产生的一阶惯性力的效果，但却不能除去发动机的旋转变化引起的变化扭矩所导致的振动。

具体而言，在往复式发动机中，虽然通过曲轴将活塞的往复运动转换为旋转运动，但因为活塞进行往复运动的速度不是一定的，而是变化的，所以，因活塞而旋转的曲轴的旋转速度也是变化的。据此，通过在发动机的内部配置平衡轴，能够除去因发动机而产生的一阶惯性起振力，但却存在不能简单除去随着曲轴的扭矩在时间上的变化而产生的振动的问题。

本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种能够除去一阶惯性起振力、并且还减轻因曲轴的变化扭矩而引起的振动的发动机。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：(日本)特开2000－248960号公报

发明内容

用于解决技术问题的技术方案

本发明的发动机的特征在于，具有：活塞，其在气缸内部进行往复运动；曲轴，其将所述活塞的所述往复运动转换为旋转运动，并且安装有曲轴齿轮；连杆，其一端侧与所述活塞能够旋转地连接，另一端侧与所述曲轴能够旋转地连接；平衡轴，其安装有与所述曲轴齿轮相互啮合的平衡齿轮，朝与所述曲轴相反的方向同步旋转，由此来减轻由所述曲轴产生的振动。在所述曲轴上，在与曲柄销的相位角为180度的部位上形成第一平衡块，在所述平衡轴周围，在与所述第一平衡块对称的位置上形成第二平衡块，使所述平衡轴周围的惯性力矩与所述曲轴周围的惯性力矩近似。

另外，在本发明的发动机中，其特征在于，通过从所述平衡轴连续向外部进行导出的驱动轴来驱动外部的负载。

另外，在本发明的发动机中，其特征在于，还具有安装于与所述平衡轴连接的所述驱动轴的飞轮。

另外，在本发明的发动机中，其特征在于，具有一个所述气缸及所述活塞。

另外，在本发明的发动机中，其特征在于，具有串联配置的多个所述气缸及所述活塞。

发明的效果

本发明的发动机的特征在于，具有：活塞，其在气缸内部进行往复运动；曲轴，其将所述活塞的所述往复运动转换为旋转运动，并且安装有曲轴齿轮；连杆，其一端侧与所述活塞能够旋转地连接，另一端侧与所述曲轴能够旋转地连接；平衡轴，其安装有与所述曲轴齿轮相互啮合的平衡齿轮，朝与所述曲轴相反的方向同步旋转；在所述曲轴上，在与曲柄销的相位角为180度的部位上形成第一平衡块，在所述平衡轴周围，在与所述第一平衡块对称的位置上形成第二平衡块，使所述平衡轴周围的惯性力矩与所述曲轴周围的惯性力矩近似。因此，在本发明中，通过在曲轴及平衡轴周围形成第一平衡块及第二平衡块，减小一阶惯性力。此外，通过使平衡轴周围的惯性力矩与曲轴周围的惯性力矩近似，能够减少因活塞往复运动而产生的曲轴的变化扭矩。因此，以高水平实现了发动机的减振。

另外，在本发明的发动机中，其特征在于，通过从所述平衡轴连续向外部导出的驱动轴，驱动外部的负载。因此，通过将外部的负载所具有的惯性力矩用作平衡轴周围的惯性力矩，能够抑制形成于发动机内部的平衡轴周围的配件大型化。

另外，在本发明的发动机中，其特征在于，还具有安装于与所述平衡轴连接的所述驱动轴的飞轮。因此，通过将重量较大的飞轮用作平衡轴周围的惯性力矩，能够抑制形成于发动机内部的平衡轴周围的配件大型化。

另外，在本发明的发动机中，其特征在于，具有一个所述气缸及所述活塞。因此，在具有一个活塞的单气缸发动机的情况下，虽然存在由活塞及曲轴产生的振动等增大的倾向，但通过本发明的结构，能够减轻其振动等。

另外，在本发明的发动机中，其特征在于，具有串联配置的多个所述气缸及所述活塞。因此，通过本发明的结构，能够有效减轻在串联多气缸发动机产生的振动。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的发动机的剖视图。

图2是表示本发明实施方式的发动机的等价力学关系的图。

图3是表示本发明实施方式的发动机的曲轴的图。

图4是表示本发明实施方式的发动机的等价力学关系的图。

图5是表示本发明实施方式的发动机的等价力学关系的图。

图6是表示本发明的实施方式的发动机的图，图6(A)是表示等价力学关系的图，图6(B)是表示曲轴与平衡轴的俯视图。

图7是表示本发明实施方式的发动机的一阶惯性力的图，图7(A)表示在曲轴未形成有平衡块的情况，图7(B)表示在曲轴形成有平衡块的情况，图7(C)表示在曲轴及平衡轴都形成有平衡块的情况。

图8是表示本发明的实施方式的发动机的图，图8(A)及图8(B)是表示发动机的结构的俯视图。

附图标记说明

10发动机；11气缸；12活塞；13连杆；14曲轴；15平衡轴；16曲柄销；18曲柄臂；21平衡块；22曲轴齿轮；23平衡齿轮；24虚拟曲轴；26飞轮；27平衡块；28平衡块；30虚拟线；33驱动轴；50负载；G重心。

具体实施方式

下面，参照附图，说明本方式的发动机10的结构。在以下的说明中，具有相同结构的部位使用相同的标记，省略重复的说明。另外，在以下的说明中，X方向是活塞12往复运动的方向，Y方向是从上方观察、通过活塞12的中心而与X方向正交的方向，Z方向是沿着曲轴14的旋转轴的方向。

参照图1，说明本方式的发动机10的结构概况。图1是表示发动机10的内部的剖视图。在此所示的发动机10是所谓的四冲程单气缸发动机，主要具有：在气缸11的内部沿上下方向进行往复运动的活塞12、将活塞12的往复运动转换为旋转运动的曲轴14、与活塞12及曲轴14可旋转地连接的连杆13、以及抑制发动机10的振动的平衡轴15。发动机10通过重复吸气冲程、压缩冲程、膨胀冲程以及排气冲程，使曲轴14及平衡轴15旋转。另外，发动机10具有：用来对导入气缸11的混合气体进行点火的火花塞、用来向气缸11导入空气的阀门、以及用来驱动该阀门的阀门驱动机构等。

曲轴14与平衡轴15经由曲轴齿轮22及平衡齿轮23而驱动连接，平衡轴15旋转的方向与曲轴14旋转的方向相反。另外，如后面所述，在本方式中，将发动机10的输出扭矩从平衡轴15向外部输出，这样，能够得到减轻因曲轴14的变化扭矩而产生的振动的效果。

在本方式中，为了抑制具有上述结构的发动机10运转时所产生的振动，按照以下的方式验证伴随由活塞12及曲轴14形成的机构的运动而产生的惯性力。

首先，将构成单气缸发动机的主要构成部件即活塞12、曲轴14以及连杆13分开，说明上述部件的惯性力。

图2是表示本方式的发动机10的等价力学关系的图。参照该图，可以利用下式表示活塞12沿着X方向的位移。

X＝Rcosθ+Lcosφ

＝R{cosθ+(L/ρ)cosφ}

＝R{cosθ+(L/ρ)(1－ρ²sin²θ)^0.5}

此外，在该式中，L表示连杆13的长度，R表示曲轴14的曲柄半径，ρ是将曲柄半径R除以连杆13的长度L而得到的值，X是活塞12的位移，ω是曲轴14的旋转速度，θ是曲轴14的旋转角，φ是连杆13相对于X轴的倾斜角。

在此，将上述式中含有的(1－ρ²sin²θ)^0.5以级数展开，忽略ρ³以上的项，则为下式。

X＝R{1/ρ－ρ/4+cosθ+(ρ/4)cos2φ}

在此，速度dx/dt及加速度d²x/dt²为以下所示。

dx/dt＝－Rω{sinθ+(ρ/2)sin2θ}

d²x/dt²＝－Rω²(cosθ+ρcos2θ)

根据上述情况，在X方向上作用于活塞12的惯性力如下所示。

F_XP＝－M_P d²x/dt²＝M_P Rω²(cosθ+ρcos2θ)

参照图3，接着说明作用于曲轴14的惯性力。曲轴14具有在半径方向上延伸的曲柄臂18、以及安装于曲柄臂18的外侧端部的曲柄销16。在半径方向上作用于曲轴14的惯性力Frc可以由下式表示。

Fr c＝Mc pRω²+2Mc aRcaω²

＝Mc Rω²

其中，Mc＝Mc p+2(Rc a/R)Mca

在此，Mcp是曲柄销16的质量，Mca是曲柄臂18的质量，Mc是曲柄等价质量，Rca是距曲柄臂18的重心轴的距离。

参照图4，接着以下式表示作用于连杆13的动能T。

T＝M_R1(dx/dt)²/2+M_R2(Rdθ/dt)²/2+Ie(dφ/dt)²/2

另外，M_R1＝(B/L)M_R，M_R2＝(A/L)M_R，Ie＝I－ABM_R

在此，A表示连杆13的重心G与活塞12之间的距离，B表示连杆13的重心G与曲柄销16之间的距离，M_R1表示连杆13的往复质量，M_R2表示连杆13的旋转质量，M_R表示连杆13的质量，Ie表示连杆13的等价惯性力矩，I表示连杆13的重心周围惯性力矩。

在算出动能T的上式中，第一项表示以与活塞12相同的速度进行运动的质点M_R1的X方向的往复运动，第二项表示以与曲柄销16相同的速度进行运动的质点M_R2的圆周运动，第三项表示惯性力矩Le的旋转运动。

图5表示根据上述研究导出的单气缸发动机的等价力学关系。单气缸发动机的往复质量M_A及往复质量M_B以下式表示。

M_A＝M_P+M_R1

M_B＝M_C+M_R2

在此，当连杆13的等价惯性力矩Ie所形成的旋转成分微小而忽略时，惯性力的往复成分F_A及旋转成分F_B如下所记载。

F_A＝M_A Rω²(cosθ+ρcos2θ)

F_B＝M_B Rω²

当将上述惯性力分解为X方向成分F_X及Y方向成分F_Y时，则为如下所示。

F_X＝F_A+F_B cosθ

＝Rω²{(M_A+M_B)cosθ+ρM_Acos2θ}

F_Y＝F_B sinθ

＝M_B Rω²sinθ

接着，针对在曲轴14安装平衡块28(第一平衡块)的事项进行说明。

参照该图5，在本方式中，为了减轻因曲轴14旋转而产生的一阶惯性力，在曲轴14安装了平衡块28。

在曲轴14安装质量为M_U的平衡块28的情况下，惯性力的X方向成分F_X及Y方向成分F_Y由下式表示。

F_X＝M_A Rω²cosθ+M_BRω²cosθ+M_URω²cos(θ－β)

F_Y＝M_B Rω²sinθ+M_URω²sin(θ－β)

在此，当上述相位角β为180度、M_U为(1/2)M_A+M_B时，则上述旋转质量部分被消除，如下所示，根据来自往复质量的X方向及Y方向的惯性力，惯性力椭圆成为具有最小半径的正圆形状。

F_X＝(1/2)M_A Rω²cosθ

F_Y＝－(1/2)M_A Rω²sinθ

参照图6(A)，在本方式中，为了进一步除去发动机10的一阶惯性力，在平衡轴15周围形成平衡块21(第二平衡块)。在此，表示了在平衡轴15形成具有与曲轴14相同形状及质量的虚拟的虚拟曲轴24的情况。虚拟曲轴24通过齿轮的啮合等，与曲轴14驱动连接，以与曲轴14相同的旋转速度朝反方向旋转。

如上所述，平衡块28的质量为(1/2)M_A+M_B，与曲柄销16的相位角β为180度。另一方面，形成于虚拟曲轴24的平衡块21的质量为(1/2)M_A。形成于曲轴14的平衡块28与形成于虚拟曲轴24的平衡块21的位置关系为对称的。具体而言，平衡块28与平衡块21的位置关系相对于被规定为与曲轴14的旋转中心和虚拟曲轴24的旋转中心的中央垂直的虚拟线30，为线对称。

在此，上述平衡块28虽然在纸面上形成于曲轴14的外周部，但这只是示意性地表示了重心位置。实际上，平衡块28在曲轴14的半径方向的中间部分具有一定的分布而形成。相关事项也适用于形成于虚拟曲轴24的平衡块21。

这样，通过在平衡轴15规定虚拟曲轴24，并且在该虚拟曲轴24的规定位置形成平衡块21，能够抵消一阶惯性力。具体而言，相对于通过在曲轴14形成质量为(1/2)M_A+M_B的平衡块28而残存的一阶惯性力F_X与F_Y，虚拟曲轴24的平衡块21的惯性力的大小相同但方向相反，所以，能够将X方向及Y方向的一阶惯性力全部消除。

参照图6(B)，说明采取了上述低振动对策的发动机10的结构。该图是从上方观察发动机10的曲轴14及平衡轴15等的图。

在发动机10的内部，曲轴14的旋转轴与平衡轴15的旋转轴相互平行配置。

在曲轴14形成有质量为(1/2)M_A+M_B的平衡块28。通过关于Y轴对称地形成两个相同质量的平衡块28，能够平衡X轴及Y轴周围的惯性力偶。

在平衡轴15周围形成有平衡块21。平衡块21可以只形成于平衡齿轮23，但在此，在平衡轴15及平衡齿轮23都形成有平衡块21。另外，形成于平衡轴15的平衡块21与形成于平衡齿轮23的平衡块21配置为相对于Y轴而线对称，这样，能够平衡Y轴周围的惯性力偶。

安装于曲轴14的曲轴齿轮22与安装于平衡轴15的平衡齿轮23的直径及齿数是相同的。因此，当使发动机10工作时，曲轴齿轮22与平衡齿轮23以相同的旋转速度，朝相反的方向进行旋转。由此，能够除去大部分一阶惯性力。

形成于平衡齿轮23的平衡块21例如是使平衡齿轮23部分增厚的厚壁部。另外，能够通过在平衡齿轮23上形成薄壁部或无壁部，而形成平衡块21。

参照图7的曲线图，说明将上述平衡块28等安装于曲轴14的效果。在该曲线图中，横轴表示沿X轴的一阶惯性力的大小，纵轴表示沿Y轴的一阶惯性力的大小。

图7(A)表示在曲轴14未形成有平衡块28的情况下的惯性力椭圆。在该情况下，在X方向与Y方向上，一阶惯性椭圆都增大，随着发动机10的工作，将产生较大的振动。

另一方面，图7(B)表示在曲轴14形成有平衡块28的情况下的惯性力椭圆。在此，使上述β为180度，使M_U为(1/2)M_A+M_B。这样，一阶惯性椭圆在X方向与Y方向上都减小，大幅度减轻随着发动机10工作而产生的振动。如上所述，通过在曲轴14的规定部位形成具有规定质量的平衡块28，能够除去因发动机10工作而产生的大部分一阶惯性力。

图7(C)表示在图6所示的设有平衡块28与平衡块21的发动机10产生的一阶惯性力。如该曲线图所示，在设有平衡块28与平衡块21的发动机10中，在X轴与Y轴上都几乎不产生一阶惯性力。因此，理论上，通过如上所述的结构，能够使发动机10的振动极小。

然而，发动机10中，通过在气缸11的内部产生的爆炸力而使活塞12往复运动，并且通过曲轴14将该往复运动转换为旋转运动。因此，从曲轴14向外部输出的扭矩相对于时间轴并非一定，而是周期性地变化。特别是在只具有一个活塞12的单气缸发动机的情况下，扭矩相对于时间轴的变化量增大，并随之而产生振动。

在本方式中，为了减小扭矩相对于时间轴的变化量，使平衡轴15周围的惯性力矩与曲轴14周围的惯性力矩近似，使双方的大小相同或大致相同。这样，如下式所示，能够将因曲轴14的旋转速度变化而产生的变化扭矩，利用因平衡轴15的旋转速度变化而产生的反方向的变化扭矩进行抵消。因此，能够抑制因曲轴14的变化扭矩而产生的振动。

I_CR dω/dt+I_BL dω/dt＝0

在此，I_CR是曲轴14的惯性力矩，I_BL是平衡轴15的惯性力矩。

通常，平衡轴15的惯性力矩比曲轴14的惯性力矩小。因此，在本方式中，通过增大平衡轴15周围的惯性力矩，使之与曲轴14周围的惯性力矩近似。作为使平衡轴15周围的惯性力矩增大的具体结构，例如参照图6(B)，可以考虑使平衡轴15增粗、使平衡齿轮23的宽度增大、或者将上述两者进行组合的结构。在此，在使平衡轴15增粗的情况下，不是使平衡轴15偏心地增粗，而是均匀地使平衡轴15增粗。另外，在使平衡齿轮23的宽度增大的情况下，使平衡齿轮23的宽度相对于厚度方向均匀地增大。这样，能够不伴随一阶惯性力增大地将平衡轴15周围的惯性力矩增大。

另外，在本方式中，为了减小一阶惯性力，在曲轴14形成有平衡块28，在平衡轴15周围形成有平衡块21。因此，为了抑制因变化扭矩而产生的振动，使也包括平衡块21的平衡轴15周围的惯性力矩与包括平衡块28的曲轴14周围的惯性力矩相同或大致相同。

参照图8(A)，说明为了抑制变化扭矩、使平衡轴15周围的惯性力矩与曲轴14周围的惯性力矩近似的其他结构。

在此，将平衡轴15与从发动机10向外部延伸的驱动轴33连接，驱动轴33的另一端与负载50连接。即，在普通的发动机中，从曲轴14向外部输出动力，但在本方式中，则是经由曲轴14及平衡轴15向外部输出动力。作为负载50，例如为发电机。

这样，能够将负载50所具有的惯性力矩加入到平衡轴15轴周围的惯性力矩中。即，使平衡轴15、平衡齿轮23、平衡块21、驱动轴33以及负载50的惯性力矩与曲轴14周围的惯性力矩相同或大致相同。因此，不必为了使平衡轴15周围的惯性力矩增大而使平衡轴15及平衡齿轮23过大，能够抑制内置上述部件的发动机10的大型化。

参照图8(B)，说明上述发动机10的其他方式。在此所示的发动机10的结构与图8(A)所示的结构基本相同，不同之处在于，在与平衡轴15连接的驱动轴33设有飞轮26。即，使平衡轴15、平衡齿轮23、平衡块21、驱动轴33、负载50、以及飞轮26的惯性力矩与曲轴14周围的惯性力矩相同或大致相同。

飞轮26因为是为了使发动机10的旋转速度稳定而设置的部件，所以具有比较大的惯性力矩。因此，通过飞轮26使平衡轴15周围的惯性力矩增大，由此，不必使平衡轴15及平衡齿轮23过大，能够抑制发动机10的大型化。

上述结构的发动机10适用于摩托车、机动车等车辆、发电机、热电联产、燃气热泵空调等中，用于驱动具有上述设备的负载。

以上，表示了本发明的实施方式，但本发明不限于上述实施方式。例如，图1所示的本方式的发动机10是单气缸，但相对于具有两个以上气缸11及活塞12的双气缸以上的发动机(串联多气缸发动机)，也可以使用本方式。

Claims

1.一种发动机，其为具有一个在气缸内部进行往复运动的活塞的单气缸发动机，所述发动机具有：

曲轴，其将所述活塞的所述往复运动转换为旋转运动，并且安装有曲轴齿轮；

连杆，其一端侧与所述活塞能够旋转地连接，另一端侧与所述曲轴能够旋转地连接；

平衡轴，其安装有与所述曲轴齿轮相互啮合的平衡齿轮，朝与所述曲轴相反的方向同步旋转，由此来减轻由所述曲轴产生的振动；

在所述曲轴上，在与曲柄销的相位角为180度的部位上形成第一平衡块，

在所述平衡轴周围，在相对于所述第一平衡块对称的位置上形成第二平衡块，

使所述平衡轴周围的惯性力矩与所述曲轴周围的惯性力矩近似，

将因所述曲轴的旋转速度变化而产生的变化扭矩，利用因所述平衡轴的旋转速度变化而产生的反方向的变化扭矩进行抵消，

在所述平衡轴及所述平衡齿轮上形成有所述第二平衡块，

形成于所述平衡轴的所述第二平衡块与形成于所述平衡齿轮的所述第二平衡块配置为，相对于从上方观察、通过所述活塞的中心而与所述活塞往复运动的方向正交的方向而线对称。

2.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，

通过从所述平衡轴连续向外部进行导出的驱动轴来驱动外部的负载。

3.如权利要求2所述的发动机，其特征在于，

还具有安装于与所述平衡轴连接的所述驱动轴的飞轮。

4.如权利要求1至3中任一项所述的发动机，其特征在于，

具有一个所述气缸及所述活塞。

5.如权利要求1至3中任一项所述的发动机，其特征在于，

具有串联配置的多个所述气缸及所述活塞。