CN212338027U - 一种三缸发动机同心轴平衡装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三缸发动机同心轴平衡装置，属于汽车发动机技术领域，包括从动齿轮、传动箱以及内轴和外轴组成的同心轴结构；从动齿轮驱动内轴同向旋转；内轴与外轴之间则以轴承连接，内轴通过传动箱内的锥齿轮组传动驱动外轴做等速反向旋转。内轴和外轴上的平衡块则通过调整初始相位关系使其质心位置关于竖直轴线左右对称，使内外轴上平衡块离心力的水平分力相互抵消，竖直分力产生的力矩则充分平衡发动机的一阶往复惯性力矩。本实用新型同心轴平衡装置，既可解决传统单平衡轴结构的平衡块离心力水平分力不能自平衡，引起发动机水平晃动问题；同时，其占用空间小，能克服紧凑型发动机双平衡轴结构布置难题，并改善三缸发动机NVH性能。

Description

一种三缸发动机同心轴平衡装置

技术领域

本实用新型属于发动机技术领域，具体涉及一种采用同心轴结构的三缸发动机新型平衡装置。

背景技术

三缸发动机相较于传统四缸机，具有油耗率低、摩擦损失小、体积小、重量轻等优点。随着排放法规的不断严格和降低能耗的迫切要求，三缸发动机的推广应用已经成为一种趋势。现今，三缸发动机在动力性方面已经完全可以比肩传统四缸发动机，但由于三缸发动机本身的气缸数和曲轴结构布置的原因，其曲轴连杆系统存在不平衡的一阶往复惯性力矩、二阶往复惯性力矩和离心惯性力矩，从而导致发动机的振动及噪音问题突出，影响驾驶人员和乘客的舒适性。这也是现阶段阻碍三缸发动机大范围推广应用的重要因素。

三缸发动机的离心惯性力矩可以通过曲柄平衡重平衡，而往复惯性力矩则需采用平衡装置进行平衡。由于一阶往复惯性力矩的幅值较大，所以通常发动机设计都是针对一阶往复惯性力矩进行平衡。理论上采用对称放置的双平衡轴结构可以充分平衡一阶往复惯性力矩，并且两个平衡轴上的水平分力能够相互抵消，不会产生附加力矩。但通常三缸发动机由于结构紧凑，双平衡轴结构的空间布置难度大。因此，市面上绝大多数三缸发动机仅采用单平衡轴结构。单平衡轴结构的平衡块旋转产生离心力，其竖直分力产生的力矩用于抵消三缸发动机的一阶往复惯性力矩，而其水平分力则不能自平衡，产生的力矩则会引发发动机的晃动。可见，采用单平衡轴的三缸发动机本质上是半平衡法，只能抵消掉部分一阶惯性力矩以及在一定程度上减轻发动机抖动。这种方法既不能完全平衡一阶不平衡力矩，也依然存在附加水平晃动。

为了解决现有的三缸发动机单平衡轴装置的不足，需要设计一种新的平衡装置，可以应用在紧凑型三缸发动机上，既能充分平衡三缸发动机的一阶往复惯性力矩，还能避免产生额外的横向晃动力矩，从而进一步提升发动机的NVH性能。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷及改进需求，本实用新型设计了一种采用同心轴结构的发动机平衡装置，目的是在占用较小发动机空间的前提下，包括从动齿轮、传动箱以及由内轴和外轴组成的同心轴结构。通过曲轴上的主动齿轮驱动安装在内轴前端的从动齿轮等速旋转，带动内轴及内轴平衡块同向等速旋转。通过内轴带动传动箱反向驱动外轴，带动外轴及外轴平衡块做等速反向旋转。

本实用新型通过如下技术方案得以实现：

一种三缸发动机同心轴平衡装置，包括从动齿轮、传动箱和内外同心轴结构；所述内外同心轴结构包括内轴和外轴；所述外轴为空心轴，外轴套装在内轴上；所述内轴与外轴上均安装有平衡块，从动齿轮安装在内轴上，通过从动齿轮驱动内轴带动传动箱上安装的外轴等速反向旋转可实现内轴与外轴平衡块离心力的水平分力的自平衡。

进一步的，所述平衡块包括第一内轴平衡块、第二内轴平衡块、第一外轴平衡块和第二外轴平衡块；所述内轴两端分别安装有第一内轴平衡块和第二内轴平衡块，所述外轴两端分别布置第一外轴平衡块和第二外轴平衡块。

进一步的，所述第一内轴平衡块、第二内轴平衡块、第一外轴平衡块和第二外轴平衡块质量和质心半径均相同，第一外轴平衡块与第一内轴平衡块组成第一平衡块组；第一平衡块组可简化为由两个位于垂直于内外同心轴结构轴线的前后中心面上、关于竖直中心线对称，且以半径r₂绕同心轴轴线以转速n等速反向运转的质量相等的质点组成的第一质点组；所述第二外轴平衡块和第二内轴平衡块组成第二平衡块组，第二平衡块组则可简化为由两个位于垂直于内外同心轴结构轴线的前后中心面上、关于竖直中心线对称，且以半径r₂绕同心轴轴线以转速n等速反向运转的质量相等的质点组成的第二质点组；第一质点组与第二质点组中心对称。

进一步的，所述传动箱包括同向锥齿轮、传动锥齿轮和反向锥齿轮；所述同向锥齿轮安装在内轴上，反向锥齿轮安装在外轴上；所述同向锥齿轮与两个所述传动锥齿轮啮合，两个所述传动锥齿轮与反向锥齿轮啮合，从而实现将内轴与外轴的反向旋转运动。

进一步的，所述同向锥齿轮通过第一角接触球轴承安装在内轴上，反向锥齿轮通过第三角接触球轴承安装在外轴上，所述外轴通过第二角接触球轴承安装内轴上。

进一步的，所述内轴从前端到后端依次由内轴前轴段、第一内轴平衡块、内轴中轴段、第二内轴平衡块和内轴后轴段；所述内轴通过轴段端部外螺纹与第一内轴平衡块和第二内轴平衡块内螺纹连接为整体；所述第一内轴平衡块与第二内轴平衡块沿内轴轴线呈反向对称布置。

进一步的，所述外轴从前端到后端依次包括第一外轴平衡块、外轴中轴段和第二外轴平衡块；外轴的三个部分可一体铸造，也可通过螺纹连接；第一外轴平衡块与第二外轴平衡块沿外轴轴线呈反向对称布置。

进一步的，所述传动箱还包括传动箱前壳和传动箱后壳；所述传动箱前壳和传动箱后壳通过螺栓连接，且同向锥齿轮、传动锥齿轮和反向锥齿轮设置在传动箱前壳和传动箱后壳之间。

进一步的，所述内轴和外轴的前端均设置在传动箱内。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型创造性地将同心轴结构和同轴反向传动装置应用到三缸发动机平衡装置中，可以在充分平衡三缸发动机一阶往复惯性力矩的同时实现离心力的水平分力的自平衡，达到原本复杂双平衡轴结构才能实现的平衡效果。对于三缸发动机的减震降噪，提高NVH性能有显著的作用。

2、本实用新型装置所占用发动机机体空间并不会明显超出单平衡轴装置，其结构紧凑，适用性好。同时不需要特殊设计曲轴与平衡轴的传动方式，传动箱与平衡轴的支撑方式也可因机型而异，可以灵活应用于各种紧凑型单平衡轴发动机上。

3、通过内外轴之间采用锥齿轮组传动实现同轴反向旋转，局部结构简单，具有可靠性好，传动精度高，噪音低的优势。

附图说明

图1为传统三缸发动机单平衡轴受力示意图；

图2为本实用新型所设计的同心轴结构平衡装置受力示意图；

图3为平衡装置总成结构示意图；

图4为平衡装置的内轴及相关附件结构示意图；

图5为平衡装置的外轴结构示意图；

图6为外轴平衡块与内轴平衡块位置关系示意图；

图7为传动箱结构示意图。

图中标记如下：

1-从动齿轮；2-传动箱；3-第一外轴平衡块；4-第一内轴平衡块；5-前轴颈；6-前轴肩；7-后轴肩；8-后轴颈；9-第二内轴平衡块；10-第二外轴平衡块；11-内轴；12-外轴；13-后端盖；14-前螺纹；15-第一圆柱滚子轴承；16-第二圆柱滚子轴承；17-深沟球轴承；201-传动箱凸缘；202-传动箱前盖；203-同向锥齿轮；204-传动锥齿轮；205-第一角接触球轴承；206-第二角接触球轴承；207-第三角接触球轴承；208-传动箱后盖；209-传动箱前壳；210-传动箱后壳；211-反向锥齿轮；1101-内轴前轴段；1102-内轴中轴段；1103-内轴后轴段；1201-外轴中轴段。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面首先结合附图具体描述根据本实用新型实施例的

结合附图3，一种三缸发动机同心轴平衡装置，包括与曲轴上的主动齿轮啮合并由主动齿轮驱动旋转的从动齿轮1，以及内轴11和外轴12。所述内轴11和外轴12为同心轴，内轴11直接由从动齿轮1带动旋转，而外轴12则在传动箱2的驱动下做与内轴等速反向旋转。所述内轴11前后各安装一个平衡块，分别为第一内轴平衡块4和第二内轴平衡块9，两个平衡块反向对称布置。所述外轴12前后分别安装第一外轴平衡块3和第二外轴平衡块10，两个平衡块同样反向对称布置。

具体的，如图4所示，所述从动齿轮1安装在内轴11上，带动内轴11与从动齿轮1同步运转。内轴11分为五个部分，包括内轴前轴段1101、内轴中轴段1102和内轴后轴段1103，以及第一内轴平衡块4和第二内轴平衡块9。内轴11通过轴段端部外螺纹与平衡块内螺纹连接为整体。内轴前轴段1101穿过传动箱2，内轴中轴段前后分别安装第一圆柱滚子轴承15和第二圆柱滚子轴承16，利用轴肩进行定位。内轴后轴段1103尾端则安装有深沟球轴承17。

具体地，如图5所示，所述外轴12为空心轴，从前到后依次分为第一外轴平衡块3、外轴中轴段1201以及第二外轴平衡块10。外轴12的三个部分可以一体铸造，也可以通过螺纹连接。第一外轴平衡块段3中的平衡块与第二外轴平衡块段10中的平衡块同样反向对称布置。

进一步，内轴11与外轴12的等速反向旋转通过传动箱2实现。所述传动箱2结构如图7所示。传动箱壳体由传动箱前壳209和传动箱后壳210组成，并且固定在发动机机体横向壁上。在本实用新型中通过传动箱凸缘201上的周向孔进行螺栓固定，在实际应用中则可根据发动机不同结构采用不同的支撑和固定方式。在内轴前轴段1101上安装有同向锥齿轮203，随内轴11一起同步旋转。传动锥齿轮204则与固定在传动箱前壳上的固定轴通过轴承连接，绕固定轴旋转。同向锥齿轮203与传动锥齿轮204左侧啮合，驱动传动锥齿轮204旋转，传动锥齿轮204右侧与反向锥齿轮211啮合，进而驱动反向锥齿轮211旋转。反向锥齿轮211与同向锥齿轮203齿数相等，大小相同，则根据锥齿轮的传动特性，反向锥齿轮211会做与同向锥齿轮203等速反向的旋转。反向锥齿轮211通过前螺纹14固定在第一外轴平衡块3的前端，带动外轴12做与内轴11等速反向旋转。

需要说明的是，所述内轴11与传动箱2之间通过第一角接触球轴承205连接，所述外轴12与传动箱2之间通过第三角接触球轴承207连接，而外轴12与内轴前轴段1101则通过第二角接触球轴承206连接。角接触球轴承可同时承受径向、轴向复合负荷，可以有效承载锥齿轮传动所带来的轴向力。外轴中轴段1201则通过第一圆柱滚子轴承15和第二圆柱滚子轴承16与内轴中轴段1102连接。圆柱滚子轴承为线接触轴承，径向承受负荷能力大，能够有效地承受和传递内外同心轴上的力矩。在内轴后轴段1103与外轴12之间则通过深沟球轴承17连接。在第二外轴平衡块10的尾端则安装后端盖13，封闭同心轴右端面并对深沟球轴承17轴向止推。

本实用新型装置的工作原理：

如图1所示为传统单平衡轴的受力示意图。平衡轴与曲轴以转速n等速反向旋转，其两端的平衡块呈180°反向对称布置，前后两端的平衡块可简化为两个以半径r₁围绕轴线旋转的质点。质点旋转产生离心力，其中竖直分力F_y1与F_y2产生力矩M₁，方向与曲轴上不平衡的一阶往复惯性力矩相反，变化规律相同，可以平衡三缸发动机曲轴上的一阶往复惯性力矩，而水平分力F_x1和F_x2则产生水平弯矩M₂，引起发动机的横向晃动。因此，传统三缸发动机单平衡轴一般都是采用不完全平衡法。

本实用新型中所设计的内轴平衡块与外轴平衡块的前后、左右形状均关于其对应的前后、左右中心面对称，质量则均匀分布。因此平衡块的形心位置即对应为其质心位置。内外轴平衡块虽然形状不同，但质量和质心半径均相同。平衡块位置关系如图6所示：第一外轴平衡块3为“几”字形对称结构，套装在第一内轴平衡块4外，组成第一平衡块组。沿同心轴轴线方向，第一外轴平衡块3的前后中心面与第一内轴平衡块4的前后中心面的位置一致，即共面，左右中心面的位置则关于过同心轴轴线的竖直面左右对称。在平衡轴的另一端，内外轴则分别反向对称安装有第二内轴平衡块9和第二外轴平衡块10，组成第二平衡块组。通过以上设计，使第一平衡块组的内外轴平衡块的形心位置位于垂直于同心轴轴线的同一平面，且关于通过轴线的竖直平面左右对称，从而使其对应质心位置位于垂直于同心轴轴线的前后中心面上，且关于竖直中心线对称。同理，第二平衡块组的内外轴平衡块的质心之间相互有同样位置关系。

进一步，当发动机运转时，曲轴上的主动齿轮驱动固定安装在内轴上的从动齿轮1以转速n等速旋转，从动齿轮1则带动内轴11同步旋转。而传动箱2则在内轴11的带动下驱动外轴12以转速n等速反向旋转，从而使得内外轴上的平衡块以转速n等速反向旋转。如图2所示为本实用新型的同心轴结构平衡装置的受力示意图。所述第一平衡块组可以简化为由两个位于垂直于同心轴轴线的前后中心面上、关于竖直中心线对称，且以半径r₂绕同心轴轴线以转速n等速反向运转的质量相等的质点组成的第一质点组，而第二平衡块组则可简化为运动关系相同，但位置与第一质点组对称相反的第二质点组。质点旋转产生离心力，其中离心力竖直分力F_y11、F_y12与F_y21、F_y22形成合力矩M平衡三缸发动机的一阶往复惯性力矩，而离心力水平分力F_x11、F_x12以及F_x21、F_x22则两两互相抵消，不会产生附加弯矩。这样就可以在占用较小安装空间的条件下实现对一阶往复惯性力矩的完全平衡，同时不引起附加的水平晃动，可有效降低三缸发动机的震动和噪声。

进一步，在本实用新型中为了保证同心轴平衡装置与曲轴之间以及同心轴内轴11与外轴12之间的相位关系，在曲轴主动齿轮、从动齿轮1、同向锥齿轮203、传动锥齿轮204、反向锥齿轮211上的特定轮齿齿根打上标记，在安装时保证各个带标记的轮齿之间的接触啮合关系，即可保证整个同心轴平衡系统与曲轴的相位关系。

需要说明的是，本实用新型中平衡装置与曲轴的传动方式并不限于配图中所示的斜齿轮直接传动，也可采用其它已有的具有更好的缓冲、减震性能的传动方式。传动箱2也可采用其它具有同轴反向传动功能的传动结构。同心轴外轴上设置有前轴颈5和后轴颈8，与发动机上对应的支撑架轴孔以轴承连接，支承同心轴，并且传递扭矩。支撑架可根据不同的发动机采取不同的尺寸和结构，以兼顾发动机高度及宽度方向的尺寸。

本实用新型针对现有三缸发动机单平衡轴结构平衡一阶往复惯性力矩的不足之处，通过采用同心轴结构，并且把同轴反向传动机构应用于平衡装置上，设计了一种新型同心轴平衡装置。该装置不需要改变与曲轴主动齿轮的传动方式，而是通过内轴驱动传动箱带动外轴等速反向旋转，实现内外轴平衡块离心力的水平分力的自平衡，有效解决了传统单平衡轴结构平衡块离心力的水平分力不能自平衡，引起发动机额外晃动的问题。因此，采用本实用新型装置就可以像双平衡轴系统一样实现对三缸发动机一阶往复惯性力矩的完全平衡，有效减震降噪，提高发动机NVH性能，同时占用较少的发动机机体空间，在一些结构紧凑的三缸发动机上有突出的效果。

所述平衡装置与曲轴的传动方式并不限于斜齿轮直接传动，也可采用其它已有的具有更好的缓冲、减震性能的传动方式。所述同轴反向传动方式也并不限于本实用新型所采用的锥齿轮传动。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种三缸发动机同心轴平衡装置，其特征在于，包括从动齿轮(1)、传动箱(2)和内外同心轴结构；所述内外同心轴结构包括内轴(11)和外轴(12)；所述外轴(12)为空心轴，外轴(12)套装在内轴(11)上；所述内轴(11)与外轴(12)上均安装有平衡块，从动齿轮(1)安装在内轴(11)上，通过从动齿轮(1)驱动内轴(11)带动传动箱(2)上安装的外轴(12)，使得内轴(11)和外轴(12)等速反向旋转从而实现内轴(11)与外轴(12)平衡块离心力的水平分力的自平衡。

2.根据权利要求1所述的三缸发动机同心轴平衡装置，其特征在于，所述平衡块包括第一内轴平衡块(4)、第二内轴平衡块(9)、第一外轴平衡块(3)和第二外轴平衡块(10)；所述内轴(11)两端分别安装有第一内轴平衡块(4)和第二内轴平衡块(9)，所述外轴(12)两端分别布置第一外轴平衡块(3)和第二外轴平衡块(10)。

3.根据权利要求2所述的三缸发动机同心轴平衡装置，其特征在于，所述第一内轴平衡块(4)、第二内轴平衡块(9)、第一外轴平衡块(3)和第二外轴平衡块(10)质量和质心半径均相同，第一外轴平衡块(3)与第一内轴平衡块(4)组成第一平衡块组；第一平衡块组可简化为由两个位于垂直于内外同心轴结构轴线的前后中心面上、关于竖直中心线对称，且以半径r₂绕同心轴轴线以转速n等速反向运转的质量相等的质点组成的第一质点组；所述第二外轴平衡块(10)和第二内轴平衡块(9)组成第二平衡块组，第二平衡块组则可简化为由两个位于垂直于内外同心轴结构轴线的前后中心面上、关于竖直中心线对称，且以半径r₂绕同心轴轴线以转速n等速反向运转的质量相等的质点组成的第二质点组；第一质点组与第二质点组中心对称。

4.根据权利要求1所述的三缸发动机同心轴平衡装置，其特征在于，所述传动箱(2)包括同向锥齿轮(203)、传动锥齿轮(204)和反向锥齿轮(211)；所述同向锥齿轮(203)安装在内轴(11)上，反向锥齿轮(211)安装在外轴(12)上；所述同向锥齿轮(203)与两个所述传动锥齿轮(204)啮合，两个所述传动锥齿轮(204)与反向锥齿轮(211)啮合，从而实现将内轴(11)与外轴(12)的反向旋转运动。

5.根据权利要求4所述的三缸发动机同心轴平衡装置，其特征在于，所述同向锥齿轮(203)通过第一角接触球轴承(205)安装在内轴(11)上，反向锥齿轮(211)通过第三角接触球轴承(207)安装在外轴(12)上，所述外轴(12)通过第二角接触球轴承(206)安装内轴(11)上。

6.根据权利要求1所述的三缸发动机同心轴平衡装置，其特征在于，所述内轴(11)从前端到后端依次包括内轴前轴段(1101)、第一内轴平衡块(4)、内轴中轴段(1102)、第二内轴平衡块(9)和内轴后轴段(1103)；所述内轴(11)通过轴段端部外螺纹与第一内轴平衡块(4)和第二内轴平衡块(9)内螺纹连接为整体；所述第一内轴平衡块(4)与第二内轴平衡块(9)沿内轴(11)轴线呈反向对称布置。

7.根据权利要求1所述的三缸发动机同心轴平衡装置，其特征在于，所述外轴(12)从前端到后端依次包括第一外轴平衡块(3)、外轴中轴段(1201)和第二外轴平衡块(10)；外轴(12)的三个部分可一体铸造，也可通过螺纹连接；第一外轴平衡块(3)与第二外轴平衡块(10)沿外轴(12)轴线呈反向对称布置。

8.根据权利要求4所述的三缸发动机同心轴平衡装置，其特征在于，所述传动箱(2)还包括传动箱前壳(209)和传动箱后壳(210)；所述传动箱前壳(209)和传动箱后壳(210)通过螺栓连接，且同向锥齿轮(203)、传动锥齿轮(204)和反向锥齿轮(211)设置在传动箱前壳(209)和传动箱后壳(210)之间。

9.根据权利要求4所述的三缸发动机同心轴平衡装置，其特征在于，所述内轴(11)和外轴(12)的前端均设置在传动箱(2)内。

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