CN1287215A - 用于发动机平衡系统的平衡轴 - Google Patents

Abstract

在一种用于发动机平衡系统以消除发动机的不平衡力的平衡轴中,轴颈部分在远离平衡配重重心的一侧有凹口,该轴颈部分还有肋,该肋沿在轴颈部分的整圆形轴向端头部分之间的径向平面横贯凹口轴向延伸,以补偿由于凹口而使该平衡轴减小的弯曲刚性。该凹口减小了平衡轴的重量或质量,且该凹口不会减小其支承性能,因为支承载荷主要是由于平衡配重部分的不平衡力而产生的,该支承部分的凹口部分承受比其对侧小得多的支承载荷部分。该凹口还有利于增加相应部件的重心偏移。

Description

用于发动机平衡系统的平衡轴

本发明涉及一种平衡轴，尤其涉及一种带有平衡配重的平衡轴，该平衡配重用于消除由往复发动机产生的不平衡力。

发动机平衡装置是已知的。例如，日本专利公开No.5-39233公开了一种平衡装置，其中一对平衡轴布置于油槽内的曲轴下面，该对平衡轴的每个轴上都有用于消除由发动机活塞产生的二次(secondorder)不平衡力的平衡配重，该曲轴的旋转通过链条/链轮机构或齿轮机构传递给平衡轴。1987年11月3日公开并授予C.Candea等的美国专利No.4703724和1987年11月3日公开并授予W.L.Weertman的美国专利No.4703725也公开了一种类似的平衡装置。

在该平衡装置中，因为当平衡轴挠曲时震动控制器有效减小震动，因此希望旋转支承各平衡轴的轴颈部分具有尽可能高的刚性。因此，平衡轴的轴颈部分通常包括具有完整的圆形横截面的坚固结构。

不过，由于需要减小发动机的重量，因此希望使平衡轴的总重减至最小。而且，平衡轴需要具有一定的不平衡质量。因此，平衡轴的质量希望这样分配，使得不平衡质量尽可能大，而对发动机的平衡没有作出贡献的那一部分质量，例如轴颈部分的质量，则希望能减至最小。

为减小平衡轴各部分的质量或重量而作的努力不能损害平衡轴所必须的特性，例如足够的抗弯刚性和轴颈承载能力。

而且，因为平衡轴需要在发动机内所确定的相对狭窄的凹进部分中安装，因此，重要的是能够以简单的方式将平衡装置的各个部分组装起来。

考虑到现有技术中的这些问题，本发明的主要目的是提供一种改进的平衡轴，该平衡轴能够使平衡配重的尺寸和总重减至最小，而不会减小平衡轴的抗弯刚性。

本发明的第二目的是提供一种平衡轴，该平衡轴能够使其总重减至最小，而不会牺牲它的轴颈部分的承载能力。

本发明的第三目的是提供一种平衡轴，该平衡轴能够使其总重减至最小，而不会过分增加轴颈部分的旋转阻力。

本发明的第四目的是提供一种易于组装的平衡轴。

本发明的第五目的是提供一种适于紧凑设计的平衡轴。

根据本发明，这些目的是通过提供一种用于发动机平衡系统以消除发动机的不平衡力的平衡轴来实现的，该平衡轴包括：重心偏离其旋转中心的平衡配重；和在发动机固定部件所确定的轴承孔中可旋转地支承平衡轴的轴颈部分；该轴颈部分在远离平衡配重重心的一侧有凹口。

该凹口减小了平衡轴的重量或质量，且该凹口不会减小承载性能，因为所承受的载荷基本是由于平衡配重部分的不平衡质量产生的，承载部分的凹口处所承受的载荷部分远远小于承载部分的相对侧所承受的载荷。该凹口还有利于增加相关部件重心的偏心。通常，轴颈部分有具有完整圆形截面的完全圆形部分，优选是在该轴颈部分的各轴向端头处，以保证轴颈部分在各种情况下的承载能力。

为了补偿由于承载部分局部凹进而使平衡轴减小的弯曲强度，该轴颈部分可以有第一肋，该第一肋沿在轴颈部分的整圆形轴向端头部分之间的径向平面横贯凹口轴向延伸。

该平衡配重部分通常包括径向偏移的凸起。通过提供第二肋，能够很容易和显著地提高平衡轴的抗弯刚性，该第二肋沿平衡轴凸起的相对角侧的径向平面轴向延伸。优选是，该第一和第二肋沿一公共径向平面延伸，且交汇于整圆形的轴向端头部分中的一个。

该第一肋可以有与轴颈部分的整圆部分的外轮廓相同的外轮廓。不过，考虑到要减小由于润滑油在轴颈部分的凹口处沉淀而产生的旋转阻力，第一肋可以有相对于轴颈部分的整圆部分的外轮廓向内凹进的外轮廓。同样原因，该第一肋可以限定有圆拱形的外侧面。此外或者是还可选择，该第一肋可以有穿过其自身的开口，优选是该开口在肋的靠近平衡轴轴心的部分。

考虑到最大限度的增强第二肋的效果，该第二肋可以几乎在平衡配重部分的整个长度上延伸。为了减小肋的重量而不损害其增强性能，第二肋的径向高度可以随着远离轴颈而逐渐减小。

优选是，该轴颈部分的旋转直径远远小于平衡配重部分的旋转直径。这样，平衡轴的总偏心量最大。这时，平衡轴的壳体可以包括上半壳体和下半壳体，它们连接起来限定供轴颈部分的轴承孔，这样，希望有相对较大旋转直径的平衡配重部分不需要穿过平衡轴的轴承孔。

根据本发明的优选实施例，轴颈部分的各轴向端头处有平衡配重部分。这样，对于材料的量给定的平衡轴，克服发动机的不平衡重量部分所产生的不平衡力的平衡轴能具有最大的抗弯刚性。通常，需要使一对平衡轴以相反方向旋转，这样的同步运动可以通过装在各平衡轴上的齿轮，例如正齿轮或螺旋齿轮而获得。为了稳定支承该平衡轴，各平衡轴的齿轮固定在平衡配重部分的远离轴颈部分的端头附近，并在该齿轮的远离平衡配重部分的轴向侧有第二轴颈部分。

下面参考附图对本发明进行说明，其中：

图1是剖开的发动机主体部分的正视图，该发动机包括本发明的平衡装置；

图2是沿左平衡轴的中轴线的局部纵剖图，以显示油槽的内部；

图3是沿平衡装置的右平衡轴的中轴线的纵剖图；

图4是主要部件沿图3中Ⅳ-Ⅳ线的纵剖图；

图5是沿垂直于一个平衡轴的第一轴颈部分轴线的平面的剖面图；

图6是主要部件沿图3中Ⅵ-Ⅵ线的纵剖图；

图7是平衡装置的右视图；

图8是平衡装置的平面视图；

图9是显示凸耳形凸起的改进实施方式的局部纵剖图；

图10是显示平衡装置壳体的改进实施方式的局部纵剖图；

图11是平衡装置的另一实施例的右视图；

图12是平衡装置的另一实施例的平面视图；

图13是本发明的平衡轴的第二实施例的侧视图；以及

图14是图13所示的平衡轴的透视图。

图1所示为实施本发明的往复活塞发动机。该发动机E包括一具有水平延伸的曲轴1的直列四缸发动机，还包括顶盖2、气缸头3、气缸体4、底座5、平衡装置6和油槽7。曲轴1可旋转地由轴承支承，该轴承限定于气缸体4的底面和底座5的上表面之间的分界面中。

平衡装置6设计为减小由于活塞和其它部件的往复运动而产生的发动机E的二次震动，该平衡装置6通过螺栓固定在底座5的底面(曲轴1的下面)，并完全装入油槽7中。曲轴1的旋转通过大链轮8、小链轮9和环形连接链条10传递给平衡装置6，该大链轮8牢牢的固定在曲轴1的前端(在下文中将连接曲柄轮或链条箱的端头称为前端)，该小链轮9牢牢固定在左手边(右和左是在面对曲柄轮或链条箱时定义的)的平衡轴(下文将介绍)的前端，该环形连接链条10环绕穿过大小链轮8和9。

环形连接链条10通过链条导向器11防止摆动，该链条导向器11固定在底座5前部靠近曲轴1中心左侧处，并且该环形连接链条10总是由链条张紧装置12施加适当的拉紧力，该链条张紧装置12固定在平衡装置6前部紧靠小链轮9的右侧处。

如图2至4所示，平衡装置6包括一对形状基本相同的平衡轴13L和13R以及平衡装置壳体14的上下半部分14U和14L，该上下半部分14U和14L沿通过两平衡轴13L和13R的中心的平面彼此垂直分开。

两个平衡轴13L和13R通过螺旋齿轮15L和15R相互同步，该螺旋齿轮15L和15R整体连接在相应的平衡轴13L和13R上，并相互啮合。如前所述，曲轴1的旋转通过大链轮8、环形连接链条10和小链轮9传递给左平衡轴13L。因此，左平衡轴13L被驱动以曲轴1转速的两倍旋转并与曲轴1的转向相同，右平衡轴13R由于两螺旋齿轮15L和15R之间的啮合而被驱动以与左平衡轴13L相同的转速和相反的转向旋转。

如图2和3所示，平衡装置壳体14的上半部分14U中对应于螺旋齿轮15L和15R的部件确定有止推壁(thrust bearing wall)部分16，该止推壁部分16与跟平衡轴13L和13R成整体的螺旋齿轮15L和15R的轴向端面配合。这些部件是上部开口的，因此各螺旋齿轮15L和15R的外圆周总是曝露于油槽7的内部，通过向两个螺旋齿轮15L和15R的啮合部分和止推壁部分16供给润滑油，可以进行充分润滑，该润滑油的供给可以从上面滴落，也可以在油槽7内部形成油雾形式的循环。

平衡轴13L和13R各有与之成一体的第一轴颈部分18和第二轴颈部分17，该第一轴颈部分18靠近轴的后端并有相对较大的直径，该第二轴颈部分17在轴的前端并有相对较小的直径。平衡轴13L和13R各有与之成一体的一对偏心配重或平衡配重19，该对偏心配重或平衡配重19分成两部分，分别在第一轴颈部分18的前部和后部。该平衡配重19的重心在径向上偏离旋转中心，并且各平衡配重19的旋转轨迹的直径大于第一轴颈部分18的直径(见图4)。

为了用最小尺寸的平衡配重获得所需的惯性力矩，各平衡配重19有一杆状部分20，该杆状部分20的直径比平衡轴剩余部分的直径小。为了补偿由于杆状部分20直径减小而减小的刚性，在杆状部分20远离平衡配重的一侧有连接第一轴颈部分18的相应轴向端头的锥形肋21，该平衡配重在第一轴颈18的前面和后面。随着离第一轴颈部分的距离的增加，这些肋21的高度逐渐减小。

为了减小第一轴颈部分18的重量和使第一轴颈部分18的重心从轴心向平衡配重19偏移，从而尽可能减小平衡配重19的大小，第一轴颈部分18的远离平衡配重的一侧除靠近该第一轴颈部分18轴向两端的部分外，都形成凹口。为了补偿由于该凹陷而减小的刚性，肋23沿经过第一轴颈部分18的中心轴线的平面横贯该空间或凹口22延伸(如图5所示)。形成于平衡配重19的杆状部分20上的肋21和第一轴颈部分18上的肋23沿同一的平面延伸。

这样，因为第一轴颈部分18的远离平衡配重一侧的轴向端头与前述的金属轴承内圆周表面配合，即使第一轴颈部分18与轴承孔接触的部分的表面积稍微减小，也不会破坏油膜，因此能充分较低旋转阻力。

孔24穿过肋23的靠近轴心的部分，使得润滑油能在凹口22中自由流动，并防止由于润滑油在凹口22中过度沉淀而增加旋转阻力。在本实施例中，凹口22通过除去大约一半的轴颈部分18材料而成或沿轴颈部分18的直径平面除去轴颈部分18的材料而成。不过，根据不同的使用情况，凹口的大小和形状可以自由选择。例如，该轴颈部分18可以形成更浅和更窄的凹口。无论如何，希望轴颈部分18的剖面在完整圆形剖面中超过至少180度，这样，可以以最小的轴颈部分完整圆形外径保证平衡轴承受不平衡力的能力。

各平衡轴13L和13R的第二轴颈部分17由轴承孔25a支承，该轴承孔25a限定于第二轴承壁部分25中，该第二轴承壁部分25在平衡装置壳体14的下半部分14L的前壁中并与之成一体。各平衡轴13L和13R的第一轴颈部分18由轴承孔26a支承，该轴承孔26a限定于第一轴承壁部分26中，该第一轴承壁部分26由两半构成，这两半分别与平衡装置壳体14的上半部分14U和下半部分14L形成一体。

在将两平衡轴13L和13R装入平衡装置壳体14内时，各平衡轴13L和13R前端的第二轴颈部分17首先装入在第二轴承壁部分25中限定的轴承孔25a中，该第二轴承壁部分25与平衡装置壳体14的下半部分14L成一体，然后将各平衡轴13L和13R的第一轴颈部分18放入在第一轴承壁部分26的下半部分中限定的轴承孔26a的下半部分中，该第一轴承壁部分26的下半部分与平衡装置壳体14的下半部分14L成一体。在这一操作过程中，平衡配重部分31需要转动离开平衡装置壳体14的下半部分14L，尤其是轴承孔26a的下半部分，这样，当第二轴颈部分17轴向穿入相应的轴承孔25a时，平衡配重部分31的径向延伸凸起不会与轴承孔26a的下半部分干涉。

然后，通过使平衡装置壳体14的上半部分14U中的第一轴承壁部分26的上半轴承部分对齐相应一个平衡轴13L和13R的第一轴颈部分18，将上下壳体14U和14L装在一起。因此，两个平衡轴13R和13L可旋转地保持在平衡装置壳体14的两半部分14U和14L之间。

这样，平衡配重19不需要通过任何一个轴承孔，轴颈部分18和19的直径能任意减小，只要能保证所需的机械强度。因此，能减小旋转阻力，装平衡轴13L和13R的平衡装置壳体14的大小和重量都能减至现有技术不可能达到的水平。

平衡装置壳体14的前端或其下半部分14L有摆线油泵27，以便向发动机的不同部件提供润滑油，如图6所示。该摆线油泵27包括通过螺栓装在平衡装置壳体14前表面的油泵壳体28、装于油泵壳体28内的外转子29和装在右平衡轴13R前端的内转子。与右平衡轴13R成一体旋转的内转子30与外转子29共同作用，将通过油滤31和吸管32从油槽7中吸出的润滑油由滑油出口通道供给发动机各部件，该油滤装在平衡装置壳体14的下半部分14L的底壁上，该吸管与下半壳体部分14L形成一体，该滑油出口通道33由油泵壳体28限定并与形成于气缸体4和底座5内的滑油通道(在图中未示出)连通。

参考图3，平衡装置壳体14的下半部分14L的底壁与支承油滤31的安装凸台34形成一体，该油滤31与第一轴承壁部分26相连。平衡装置壳体14的下半部分14L的底壁还与吸管32形成一体，该吸管32从安装凸台34延伸到前端开口，该前端开口靠近第二轴承壁部分25，并由油泵壳体28的一部分封闭。油滤31的安装凸台34和空心吸管32连续串联地形成于壳体下半部分14L的底壁中并与之成一体，这样，支承平衡轴13L和13R前后端的壳体下半部分14L的轴承壁部分25和26通过油滤31的安装凸台31和吸管32连接，这有利于增加轴承壁部分25和26的刚性。

吸管32的一部分位于两平衡轴13L和13R之间限定的凹进部分内(如图4所示)，这样，该吸管向下的凸出部分能减至最小，而且，因为油滤31直接装在壳体下半部分14L的底壁上，平衡装置壳体14的尺寸也能减至最小，这有利于发动机的紧凑设计。

安装凸台34具有与之成一体的销形凸起35，该销形凸起35从壳体下半部分14L伸出，以控制主要由金属网构成的油滤31的内部变形。该凸起35还通过肋36与油滤安装凸台34的内圆周表面相连。该肋36增强了油滤安装凸台34的刚性，尤其是增强了轴承壁部分26中起支承作用的这一半的刚性。

平衡装置壳体14的上半部分14U和下半部分14L之间的分隔平面的侧端各自相对于相应的平衡轴13L或13R径向产生偏移，如图4所示。在图示实施例中，下半部分14L的侧向延伸大于上半部分14U。该偏移使得两侧都产生了向上开口的间隙37，该向上开口的间隙37沿经过相应平衡轴13L或13R的轴心的平面限定。当两平衡轴13L和13R(沿箭头所示方向)旋转时，储存于平衡装置壳体14底部的润滑油0L通过平衡配重19向上甩，并通过间隙37排出平衡装置壳体14。

凸耳形凸起38沿壳体上半部分14U的各侧边轴向延伸。该凸耳形凸起38正对着相应间隙37的开口端，并防止从上部滴落的润滑油进入壳体14的内部。该凸耳形凸起38沿壳体上半部分14U的两侧并在该壳体上半部分14U的整个长度上延伸，如图7和8所示，并且该凸耳形凸起38与凸台部分39、第一轴承壁部分26及止推壁部分16相连，该凸台部分39用于安装将平衡装置壳体14的上半部分14U和下半部分14L固定在一起的螺栓B1，该止推壁部分16挡住安装在相应平衡轴13L和13R上并与之成一体的螺旋齿轮15L和15R。该凸耳形凸起38有利于增强平衡装置壳体14的刚性。

平衡装置壳体14的上半部分14U和下半部分14L另外还通过3个螺栓B2固定在一起，这3个螺栓B2沿支承第一轴颈部分18的第一轴承壁部分26横向布置，这样，即使由于平衡配重19旋转而受到径向加速度时，第一轴承壁部分26也可以防止自由活动。

凸耳形凸起38各自可沿横向延伸所需要的长度，并设置如图9所示的所需要的横截面，从而使其赋予挡板(baffle plates)的功能，以防止油槽中油表面的干扰。

参考图10，支承第二轴颈部分17的轴承孔17a可以形成于平衡装置壳体14的上半部分14U和下半部分14L之间的分隔面内。这样，因为可以用公共的分隔面确定第一和第二轴颈部分18和19的轴承，因此可以提高轴承的轴心之间的相对位置精度。如图11和图12所示，通过提供用于安装在第二轴承壁部分17附近区域将平衡装置壳体14的上半部分14U和下半部分14L固定在一起的螺栓B1的附加凸台部分40和使凸耳形凸起38一直延伸到附加的凸台部分，前后端的轴承壁部分能够通过凸耳形凸起38彼此连接，从而能进一步增强前后轴承壁部分的刚性。

具有上述结构的平衡装置6可以通过从底部穿过平衡装置壳体14两半部分的螺栓B3安装到底座5上，如图4所示。

图13至14所示为本发明的平衡轴的第二实施例。与前述实施例相同的部件以相同标号表示。该实施例与前述实施例的区别在于肋23的形状不同，该肋23横贯形成于第一轴颈部分18的两轴向端头之间的凹口延伸。在该实施例中，该肋23的外缘相对于第一轴颈部分18的外轮廓稍微向内凹进，尤其是相对于第一轴颈部分18的两轴向端头稍微向内凹进，且该肋23的外缘成圆拱形。相对于前述实施例，该肋不需要有通孔。

因为该肋23的外缘向内凹进并成圆拱形，当它与平衡轴的其余部分一起旋转时受润滑油的阻力小。而且，凹进的肋23的外缘不需要高的精度，因为它不需要与第一轴颈部分18的其余部分的外轮廓对齐。

尽管本发明是通过优选实施例说明的，显然，本领域技术人员在不脱离由附加的权利要求书所限定的本发明的范围的情况下，能够进行各种变化和改进。

Claims (13)

1．一种用于发动机平衡系统以消除发动机的不平衡力的平衡轴，包括：

重心偏离其旋转中心的平衡配重；以及

轴颈部分，该轴颈部分在发动机固定部件所确定的轴承孔中可旋转地支承所述平衡轴；

所述轴颈部分在远离平衡配重重心的一侧有凹口，在该轴颈部分的各轴向端头有具有整圆形截面部分，该轴颈部分还有第一肋，该第一肋沿在轴颈部分的整圆形轴向端头部分之间的径向平面横贯凹口轴向延伸。

2．根据权利要求1所述的平衡轴，其特征在于：所述平衡配重部分包括径向偏移的凸起和第二肋，该第二肋沿平衡轴凸起的相对侧的径向平面轴向延伸。

3．根据权利要求2所述的平衡轴，其特征在于：该第一和第二肋沿一公共径向平面延伸，且交汇于所述整圆形的轴向端头部分中的一个。

4．根据权利要求1所述的平衡轴，其特征在于：所述第一肋有相对于轴颈部分的整圆形部分的外轮廓径向向内凹进的外轮廓。

5．根据权利要求4所述的平衡轴，其特征在于：所述第一肋确定有圆拱形的外侧面。

6．根据权利要求1所述的平衡轴，其特征在于：所述第一肋有与轴颈部分的整圆形部分的外轮廓相同的外轮廓。

7．根据权利要求1所述的平衡轴，其特征在于：所述第一肋有穿过其自身的开口。

8．根据权利要求7所述的平衡轴，其特征在于：所述开口形成于所述肋的靠近平衡轴轴心的部分。

9．根据权利要求2所述的平衡轴，其特征在于：所述第二肋几乎在所述平衡配重部分的整个长度上延伸。

10．根据权利要求2所述的平衡轴，其特征在于：所述第二肋的径向高度随着远离轴颈而逐渐减小。

11．根据权利要求1所述的平衡轴，其特征在于：所述平衡配重部分在所述轴颈部分的各轴向端头处。

12．根据权利要求11所述的平衡轴，还包括：齿轮和第二轴颈部分，该齿轮固定在平衡配重部分的远离轴颈部分的端头附近，该第二轴颈部分在该齿轮的远离平衡配重部分的轴向侧。

13．根据权利要求1所述的平衡轴，其特征在于：所述轴颈部分的旋转直径远远小于平衡配重部分的旋转直径。

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