CN215110307U - 一种平衡箱 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种平衡箱包括外壳体，所述外壳体内设有可转动的第一转轴和第二转轴，第一转轴和第二转轴转动速度相同，转向相反，所述第一转轴和第二转轴分别安装不平衡量相等的第一偏心块和第二偏心块以使得所述第一转轴和第二转轴的不平衡量相等，所述第一转轴和第二转轴平行设置，且第一偏心块和第二偏心块相对于所述第一转轴和第二转轴的中心的连线的中垂线轴对称。本实用新型通过设置带有不平衡量的第一转轴和第二转轴，可由曲轴的带动下转动，两者的竖直分量之和与二阶往复惯性力数值相等，方向相反，第一转轴和第二转轴离心力的水平分量相互抵消，使得汽车发动机的振动大幅度减小，延长了汽车发动机的使用寿命。

Description

一种平衡箱

技术领域

本实用新型涉及汽车领域，具体涉及一种平衡箱。

背景技术

往复活塞式汽车发动机振动和噪声的主要来源是由曲柄连杆机构产生的不平衡力和其力矩。而市面上大部分汽车发动机均采用平面对称曲轴的直列四缸发动机，其惯性力系的平衡除二阶往复惯性力未平衡以外，其余均平衡。二阶往复惯性力来自于活塞的上下行程时的速度不一致性，是发动机振动的主要来源，当振动过大或者过于频繁时，容易导致发动机内部的零件产生过大了动应力，进而产生破坏或者松动，极易造成事故的发生。

实用新型内容

本实用新型的目的针对目前曲轴连杆机构的转动会产生二阶往复惯性力的问题，提供一种平衡箱。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了以下技术方案：

一种平衡箱，包括外壳体，所述外壳体内设有可转动的第一转轴和第二转轴，第一转轴和第二转轴转动速度相同，转向相反，所述第一转轴和第二转轴分别安装不平衡量相等的第一偏心块和第二偏心块，使得所述第一转轴和第二转轴的不平衡量相等。所述第一偏心块和第二偏心块的数量为两个。第一转轴和第二转轴转动时，竖直方向的分力的和可平衡曲轴的二阶往复惯性力，两者水平方向的分力大小相同，方向相反，可相互抵消。

进一步，所述第一转轴的一端设有第一滚针轴承，另一端设有球轴承，所述第一转轴通过第一滚针轴承和球轴承固定在所述外壳体上。所述第一转轴安装有第二滚针轴承，所述第一转轴通过第二滚针轴承抵接在所述外壳体的内壁上。所述第一偏心块的数量为两个，所述第二滚针轴承设在所述第一偏心块之间。使得第一转轴和第二转轴可以相对外壳体旋转。

进一步，所述第一转轴安装有第一齿圈，所述第二转轴安装有第二齿圈，所述第一齿圈与第二齿圈相啮合。所述第二齿圈包括同轴设置的第一子齿圈和第二子齿圈，第一子齿圈和第二子齿圈之间设置有弹性元件，以使得在弹性元件的弹性作用下第一子齿圈和第二子齿圈能够相对转动，或者在弹性元件的弹性作用下第一子齿圈和第二子齿圈具有相对转动的趋势。所述第一子齿圈和第二子齿圈贴合设置，贴合面之间设置所述弹性元件。所述弹性元件构造为C型，所述弹性元件的两端分别与所述第一子齿圈和第二子齿圈连接。所述第一子齿圈的一个齿压持在所述第一齿圈的一个齿槽的一面上，所述第二子齿圈的一个齿压持在所述齿槽的另一面上。可防止齿轮冲击的，延长了齿轮的寿命。

进一步，所述第一转轴与曲轴的转速比为2:1。平衡箱的最优结构，为外壳体内部设置两个带有不平衡量的转轴。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本实用新型通过设置带有不平衡量的第一转轴和第二转轴，可由曲轴的带动下转动，两者的竖直分量方向分别与二阶往复惯性力的方向相反，第一转轴和第二转轴离心力的水平分量相互抵消，使得汽车发动机的振动大幅度减小，延长了汽车发动机的使用寿命。

附图说明：

图1为本实用新型结构示意图(含有曲轴)；

图2为本实用新型主视图(不含曲轴)；

图3为图2的B-B剖面图；

图4为本实用新型结构示意图(不含外壳体)；

图5为第一转轴和第二转轴工作方式示意图；

图6为第一转轴结构示意图；

图7为曲轴转动方向示意图

图8为假设曲轴的转动方向如图7的箭头方向所示时，且活塞位于上止点时，第一转轴主视图；

图9为图7的A-A剖视图；

图10为第二齿圈结构示意图，其中(a)为第一方向视角，(b)为第二方向视角；

图11为图9的局部放大图；

图12为第二齿圈爆炸图；

图13为第二齿圈爆炸图，与图11不同视角；

图14为第一子齿圈、弹性元件和第二子齿圈配合关系示意图；

图15为第一子齿圈和第二子齿圈结构示意图；

图16为弹性元件为C型结构时的结构示意图，其中虚线表示变形后的状态；

图17为第一齿圈和第二齿圈啮合示意图；

图18为第一齿圈和第二齿圈啮合情况示意图(取消销子)。

图中标记：1-曲轴，2-外壳体，3-主动齿圈，4-第一转轴，5-第二转轴，6-第一滚针轴承，7-第一偏心块，8-球轴承，9-被动齿圈，10-第一齿圈，11-第二滚针轴承，12-第二偏心块，13-第二球轴承，14-第二齿圈，141-第一子齿圈，142-第二子齿圈，143-弹性元件，144-第二销，145-压紧片，146-第一销，147-第一装配孔，148-第二装配孔，149-转轴，1410-第二凹槽，1411-第一凹槽，1412-被动齿圈，1413-连接端，1414-第二子齿圈非工作面，1415-被动齿圈工作面，1416-第一子齿圈工作面，1417-第二子齿圈工作面，1418-被动齿圈非工作面，1419-第一子齿圈非工作面。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本实用新型内容所实现的技术均属于本实用新型的范围。

本实用新型提出了一种平衡箱，安装在发动机壳体上，用于平衡曲轴的二阶往复惯性力，其结构如图1-9所示。

包括外壳体2，外壳体2安装在发动机壳体上，外壳体2的内部设有第一转轴4和第二转轴5，第一转轴4由曲轴1的带动下转动，第二转轴5在第一转轴4的驱动下转动。曲轴1是发动机中最重要的部件。它承受连杆传来的力，并将其转变为转矩通过曲轴1输出并驱动发动机上其他附件工作。曲轴1受到旋转质量的离心力、周期变化的气体惯性力和往复惯性力的共同作用，使曲轴1承受弯曲扭转载荷的作用。

曲轴1上设有主动齿圈3，主动齿圈3随着曲轴1的转动而转动，第一转轴4在与主动齿圈3相对应的位置安装有被动齿圈9，被动齿圈9与主动齿圈3相啮合，即通过被动齿圈9与主动齿圈3相啮合的传动方式，实现了曲轴1带动第一转轴4的转动。

在被动齿圈9的后部布置有第一齿圈10，第一齿圈10与被动齿圈9存在间隔，第一齿圈10安装在第一转轴4上，在第二转轴5与第一齿圈10相对应的位置设有与第一齿圈10相啮合的第二齿圈14，因此本实用新型的传动方式为：曲轴1转动，通过主动齿圈3与被动齿圈9啮合的传动方式，带动第一转轴4转动，第一转轴4带动第一齿圈10转动，第二齿圈10通过与第二齿圈14啮合的传动方式，带动第二齿圈4转动，进而带动第二转轴5转动，因此第一转轴4的转动方向与第二转轴5的转动方向相反。

第一转轴4和第二转轴5上分别设有第一偏心块7、第二偏心块12和球轴承8，第一偏心块7和第二偏心块12的数量均为两个，第一偏心块7之间设有第二滚针轴承13a，第二偏心块12之间设有第四滚针轴承13b，第一转轴4的两端分别设置第一滚针轴承6和第一球轴承8a，第二转轴5的两端分别设有第二球轴承8b和第三滚针轴承11，第一偏心块7和第二偏心块12、第二球轴承8b和第一滚针轴承6以及第二滚针轴承13a和有第四滚针轴承13b的结构和位置、相对于第一转轴4和第二转轴5的中心点的连线的中垂线轴对称。为了叙述方便，本实施例中仅叙述第一滚针轴承6、第一偏心块7以及第一球轴承8a。

第一滚针轴承6套在第一转轴4上，第一滚针轴承6内部的滚针与第一转轴4抵接，第一滚针轴承6的外部壳体压接在外壳体2上，第一球轴承8a的内套与第一转轴4连接，外套胀接在外壳体2的内部。

当第一偏心块7跟随第一转轴4转动时，由于第一偏心块7存在偏心量，因此当其旋转时，会产生离心力，两个第一偏心块7的偏心量的获取方式是：

每缸二阶往复惯性力的计算如下：

P_II＝-λ_rω²mcos(2α) (1)

式中P_II为单杠发动机二阶往复惯性力，λ_r为曲柄连杆比，ω为曲柄角速度，α为曲柄转角，m由连杆小头质量、活塞销质量、活塞和活塞环质量三部分组成。

由于直列四缸发动机四个曲柄转角相差180°，任意时刻各缸的二阶惯性力P_II大小相等，方向相反，故此可以得出发动机总的二阶惯性力为：

P＝4P_II＝-4λ_rω²mcos(2α) (2)

P为直列四缸发动机的二阶往复惯性力大小。

由(2)式可知二阶往复惯性力的大小与曲轴转角之间的关系，需将曲轴1与第一转轴4的转速比设定为1:2，第一转轴4和第二转轴5旋转产生的力水平分量大小相等，方向相反，而垂直分量的合力等于发动机二阶往复惯性力，可得：

-(m_IIr_II+m_Ir_I)(2ω)² cos(2α)＝P＝-4λ_rω²mcos(2α) (3)

m_II为加重量的大小，r_II为第二转轴5的质心偏移量，m_IIr_II为第二转轴5的不平衡量；

m_I为加重量的大小，r_I为第二转轴5的质心偏移量，m_Ir_I为第二转轴5的不平衡量。

由于第二转轴5的不平衡量与第一转轴4的不平衡量相等，化简可得每个平衡轴不平衡量(整根平衡轴质心与质量的乘积)为：

m_IIr_II＝m_Ir_I＝λ_rm/2 (4)

故此带入发动机参数可得第一转动轴4和第二转轴5的不平衡量。

若只采用第一转动轴4，另第一转动轴4的转速与曲轴1相同，并且通过式(1)-(4)设计第一转动轴4的不平衡量，根据力学分析可知，离心力在竖直方向上与二阶往复惯性力相反，然而在水平方向上的力无法平衡，因此设置了第二转动轴5，两者的转速相同，转动方向相反，因此可以在水平方向上平衡第一转轴4产生的离心力。

如图7所示，假设曲轴1、第一转轴4和第二转轴5的转动方向均如箭头所示,且为单杠。根据现有技术，当活塞由上止点运动到下止点时，曲轴1转动180°，由于曲轴1和第一转轴4的转速比为1:2，因此第一转轴4转动360°，在曲轴1转动的0-45°时，二阶往复惯性力向上，45°-135°时，二阶往复惯性力向下，135°-180°时，二阶往复惯性力向上，因此，当活塞位于上止点时，另第一偏心块7的布置方式如图8和9所示，具体的：第一偏心块7包括第一子偏心块7a和第二子偏心块7b，第二子偏心块7b的质量大于第一子偏心块7a，当活塞位于上止点时，第一子偏心块7a位于竖直方向考上的位置，第二子偏心块7b位于竖直方向靠下的位置，此时，第一偏心块(7)的旋转中心的位置到质心的位置的方向为竖直方向向下。两者的安装位置相对于第一转轴7的轴线方向对称，第二偏心块12的布置方式与第一偏心块7相同。

当曲轴1从0-45°时，第一偏心块7转动了由0转动至90°，在这个过程中，第一偏心块7产生的离心力的竖直方向的分量竖直方向朝下；

当曲轴1从45°转动至135°时，第一偏心块7由90°转动至270°，在这个过程中，第一偏心块7差生的离心力的竖直方向的分量竖直方向是朝上的；

当曲轴从135°转动至180°时，第一偏心块7由270°转动至360°，第一偏心块7差生的离心力的竖直方向的分量竖直方向是朝下的。因此，第一偏心块7在转动过程中，其离心力的竖直方向的分量永远与二阶往复惯性力的方向是相反的。

第二偏心块11产生的离心力在竖直方向上的分量的方向与第一偏心块7相同，此处不赘述。

但是由于两者转动方向相反，因此两者的离心力在水平方向的分量是相反的。

如图9-17所示，第二齿圈14包括第一子齿圈141和第二子齿圈142，第一子齿圈141和第二子齿圈142相贴合，第二子齿圈142的齿宽为第一子齿圈141齿轮的一半。本实施例中第一子齿圈141和第二子齿圈142的齿数相等，齿宽、槽宽、模数和分度圆的直径均相等。

第一子齿圈141的中部设有转轴149，本实施例中转轴149为空心转轴，转轴149的一端与第一子齿圈141固定连接，转轴149穿过第二子齿圈142，转轴149相对于第二子齿圈142伸出的部分套设有压紧片145，本实施例中压紧片145为带有缺口的环状，缺口处的两端设有压紧孔，在第二子齿圈142上设有与压紧孔对应的孔，然后使用销钉将两种孔连接，实现第一子齿圈141和第二子齿圈142的贴合。第二子齿圈142可在转轴149上转动。

转轴149为朝向第二子齿圈142方向凸出的环形构造。

第一子齿圈141和第二子齿圈142相贴合的面(相对面)分别设有第一凹槽1411和第二凹槽1410，第一凹槽1411和第二凹槽1410的位置相对应，当第一子齿圈141和第二子齿圈142贴合时，第一凹槽1411和第二凹槽1410结合形成容纳空间。本实施例中，第二凹槽1410和第一凹槽1411的宽度不大于齿部的底部到转轴149之间的距离。第一子齿圈141和第二子齿圈142通过转轴149固定在第一转轴4上。

在容纳空间中存在两个固定件，分别设置在第一子齿圈141和第二子齿圈142上，容纳空间内还设有弹性元件143，弹性元件143为C形，且两端与两个固定件相抵接。因此，当第一子齿圈141和第二子齿圈142发生相对转动时，可以压缩弹性元件143，当取消外力时，弹性元件143的弹力可驱动第一子齿圈141和第二子齿圈142朝向反方向转动。

弹性元件143的两端也可以通过焊接或者卡接的方式分别固定在第一凹槽1411和第二凹槽1410内。本实施例中，当弹性元件143发生最大变形时，第一凹槽1411和第二凹槽1410组成的容纳空间依然有足够的空间容纳弹性元件143。

将弹性元件143构造为C形时，弹性元件143采用带有弹性的金属制成，其通过本身的材料属性实现可压缩的目的，如铁、锰钢，磷青铜，铍青铜等。

弹性元件143的形状不限于C型，也可为弹簧，具体的：在容纳空间中设置弹簧(弹性元件143)，弹簧的两端分别与第二销144和第一销146连接，为了实现更好的技术效果，可以设置多对第二销144和第一销146，以及弹簧，另每个弹簧的两端与每对第二销144和第一销146连接，本实施例中设置了两对第二销144和第一销146以及两个弹簧。

只要可以提供第一子齿圈141和第二子齿圈142相对转动的扭矩的带有弹性的部件，均在本实用新型的保护范围之内。

本实施例中当弹性元件143不发生形变，即弹性元件143不压缩也不伸长，为正常状态时，第一子齿圈141和第二子齿圈142不重合，形成如图9所示的状态，即第一子齿圈141的齿和第二子齿圈142的齿错位分布，当第一子齿圈141和第二子齿圈142的齿部重合时，需要施加外力，使得第一子齿圈141和第二子齿圈142产生相对转动，这时，弹性元件143压缩，转动需要克服弹性元件143的弹力。因此弹性元件143可驱动第一子齿圈141和第二子齿圈142发生相对转动，或者使得第一子齿圈141和第二子齿圈142产生相对运动的趋势。

如图4所示，另第一子齿圈141和第二子齿圈142的可相对转动距离的限制为：另第一子齿圈141和第二子齿圈142相对转动的距离小于弹性元件143的最大变形量，第一子齿圈141和第二子齿圈142相对转动的距离大于在压缩弹性元件143的转动方向上，处于相邻位置的第一子齿圈141的齿和第二子齿圈142的齿在第一子齿圈141或者第二子齿圈142的分度圆的弧线上的距离。若不大于，则无法保证第一子齿圈141和第二子齿圈142可以并排。

两个固定件分别为设置在第一子齿圈141和第二子齿圈142上，具体的：两个固定件分别为第二销144和第一凹槽1411，在第一子齿圈141和第二子齿圈142分别设有对应的孔，第二销144和第一凹槽1411与第二子齿圈142和第一子齿圈141过盈配合。

同时，固定件也可以采用其他的方式，如凸起、挡片等，只要可以起到限位弹性元件143作用的，均在本实用新型的保护范围之内。

第二销144和第一凹槽1411至少部分位于第二凹槽1410和第一凹槽1411中，且第二销144和第一凹槽1411的轴向方向均垂直于贴合面，第二销144和第一凹槽1411之间沿着第二凹槽1410或者第一凹槽1411方向的长度与弹性元件143近似，弹性元件143的两端设有开口状的连接端1413，两个连接端1413的开口相对，开口大小与第二销144或者第一凹槽1411的直径相似，使得压缩弹性元件143时，弹性元件143不会产生挠曲，进而损坏弹性元件143.本实施例中，弹性元件143的厚度与容纳空间的宽度相似，且当第一子齿圈141和第二子齿圈142贴合时，第二销144和第一凹槽1411分别抵接到第一子齿圈141和第二子齿圈142上，进而使得弹性元件143不会产生过大的挠度。

第一子齿圈141和第二子齿圈142上分别设有第一装配孔147和第二装配孔148，两者的位置关系为：当第一子齿圈141和第二子齿圈142相对运动至第一装配孔147和第二装配孔148重合时，第一子齿圈141和第二子齿圈142的齿部重合，此时弹性元件143为压缩状态，本实施例中，第一装配孔147和第二装配孔148的尺寸相同。

本实用新型的防齿轮冲击的原理为：为本实用新型与被动齿圈10啮合的状态，被动齿圈10为被动齿圈，在将两者啮合前，需要将第一装配孔147和第二装配孔148重合，此时弹性元件143被压缩，进而使得第一子齿圈141和第二子齿圈142的齿部完全重合，然后在第一装配孔147和第二装配孔148中插入定位销，另第一子齿圈141和第二子齿圈142的齿部保持重合，然后将本实用进行与被动齿圈10啮合，此时，第一子齿圈141和第二子齿圈142均与被动齿圈10完全啮合；

将定位销拔出，第一子齿圈141和第二子齿圈142在弹性元件143的弹力作用下，两者的齿部发生错位，如图11和12所示，第一子齿圈141和第二子齿圈142依旧与被动齿圈10均啮合，第一子齿圈工作面1416由于弹性元件143弹力的作用贴紧配合被动齿圈非工作面1418，第二子齿圈工作面1417与被动齿圈工作面1415相贴合，消除齿轮间隙。

假设被动齿圈10产生转动波动时，被动齿圈非工作面1418推动第一子齿圈工作面1416旋转，但由于有弹性元件143的存在，被动齿圈10需先克服弹性元件143的扭矩，将第一子齿圈141与被动齿圈10推到对齐的状态下(第一子齿圈工作面1416与被动齿圈非工作面1418对齐)，才能接触到被动齿圈非工作面1418，在此过程中，第一子齿圈141在弹性元件143扭矩的配合下，减弱了齿轮冲击。第一子齿圈非工作面1419的位置如图17所示。

工作面为当被动齿圈10和第一子齿圈141以及第二子齿圈142啮合后，第一子齿圈141和第二子齿圈142的齿压持在与被动齿圈10的齿的齿面，非工作面表示当被动齿圈10和第一子齿圈141以及第二子齿圈142啮合后，第一子齿圈141和第二子齿圈142的齿未压持在与被动齿圈10的齿的齿面。

Claims (10)

1.一种平衡箱，其特征在于：包括外壳体(2)，所述外壳体(2)内设有可转动的第一转轴(4)和第二转轴(5)，第一转轴(4)和第二转轴(5)转动速度相同，转向相反，所述第一转轴(4)和第二转轴(5)分别安装不平衡量相等的第一偏心块(7)和第二偏心块(12)以使得所述第一转轴(4)和第二转轴(5)的不平衡量相等，所述第一转轴(4)和第二转轴(5)平行设置，且第一偏心块(7)和第二偏心块(12)的位置和结构相对于所述第一转轴(4)和第二转轴(5)的中心的连线的中垂线轴对称。

2.根据权利要求1所述的平衡箱，其特征在于：所述第一转轴(4)的一端设有第一滚针轴承(6)，另一端设有球轴承(8a)，所述第一转轴(4)通过第一滚针轴承(6)和球轴承(8a)固定在所述外壳体(2)上。

3.根据权利要求1所述的平衡箱，其特征在于：所述第一转轴(4)安装有第二滚针轴承(13a)，所述第一转轴(4)通过第二滚针轴承(13a)抵接在所述外壳体(2)的内壁上。

4.根据权利要求3所述的平衡箱，其特征在于：所述第一偏心块(7)的数量为两个，所述第二滚针轴承(13a)设在所述第一偏心块(7)之间。

5.根据权利要求1所述的平衡箱，其特征在于：所述第一转轴(4)安装有第一齿圈(10)，所述第二转轴(5)安装有第二齿圈(14)，所述第一齿圈(10)与第二齿圈(14)相啮合。

6.根据权利要求5所述的平衡箱，其特征在于：所述第二齿圈(14)包括同轴设置的第一子齿圈(141)和第二子齿圈(142)，第一子齿圈(141)和第二子齿圈(142)之间设置有弹性元件(143)，以使得在弹性元件(143)的弹性作用下第一子齿圈(141)和第二子齿圈(142)能够相对转动，或者在弹性元件(143)的弹性作用下第一子齿圈(141)和第二子齿圈(142)具有相对转动的趋势。

7.根据权利要求6所述的平衡箱，其特征在于：所述第一子齿圈(141)和第二子齿圈(142)贴合设置，贴合面之间设置所述弹性元件(143)。

8.根据权利要求7所述的平衡箱，其特征在于：所述弹性元件(143)构造为C型，所述弹性元件(143)的两端分别与所述第一子齿圈(141)和第二子齿圈(142)连接。

9.根据权利要求8所述的平衡箱，其特征在于：所述第一子齿圈(141)的一个齿压持在所述第一齿圈(10)的一个齿槽的一面上，所述第二子齿圈(142)的一个齿压持在所述齿槽的另一面上。

10.根据权利要求1所述的平衡箱，其特征在于：所述第一转轴(4)与曲轴(1)的转速比为2:1。

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