CS264823B1

CS264823B1 - Flywheel with varying moment of inertia

Info

Publication number: CS264823B1
Application number: CS868716A
Authority: CS
Inventors: Jan Ing Csc Ondzik; Jaroslav Ing Csc Novak
Original assignee: Jan Ing Csc Ondzik; Novak Jaroslav
Priority date: 1986-11-27
Filing date: 1986-11-27
Publication date: 1989-09-12
Also published as: CS871686A1

Abstract

Riešenie sa týká vytvorenia přídavného mechanizmu k zvýšeniu momentu zotrvačnosti u piestových spalovacích motorov pracujúoich v nestacionárnych režimoch. Podstata riešenia spočívá v tom, že na hřídeli prenášajúcom krútiaci moment a nesúcom spojku je v odstupe a rovnoběžně so základnou častou zotrvačníka usporiadaný otočné přídavný kotúč, pričom na základnej časti sú rovnoměrně od osi otáčania nosné čapy, na ktorých sú otočné uložené páky so závažím na konci a uprostřed opatřené unášacími čapmi, ktorých konce zasahujú do pozdlžnych otvorov, vytvořených diagonálně v prídavnom kotúči. V základnej časti zotrvačníka sú operky a v prídavnom kotúči výstupky, medzi ktorými sú symetricky po obvode uložené tlačné pružiny.The solution relates to the creation of an add-on mechanism to increase the moment of inertia for piston internal combustion engines working in non-stationary modes. The essence of the solution is that torque-transmitting shaft carrying the coupling is spaced and parallel to the flywheel base rotating auxiliary wheel, taking on base the parts are evenly spaced from the axis of rotation bearing pins on which they are mounted lever with weight at the end and center entraining bolts, the ends of which engage into the longitudinal holes formed diagonally in the additional disc. In basic the flywheel parts are restraints and additional disc protrusions between which they are symmetrical on the periphery of the stored compression spring.

Description

(57) Riešenie sa týká vytvorenia přídavného mechanizmu k zvýšeniu momentu zotrvačnosti u piestových spalovacích motorov pracujúoich v nestacionárnych režimoch. Podstata riešenia spočívá v tom, že na hřídeli prenášajúcom krútiaci moment a nesúcom spojku je v odstupe a rovnoběžně so základnou častou zotrvačníka usporiadaný otočné přídavný kotúč, pričom na základnej časti sú rovnoměrně od osi otáčania nosné čapy, na ktorých sú otočné uložené páky so závažím na konci a uprostřed opatřené unášacími čapmi, ktorých konce zasahujú do pozdlžnych otvorov, vytvořených diagonálně v prídavnom kotúči. V základnej časti zotrvačníka sú operky a v prídavnom kotúči výstupky, medzi ktorými sú symetricky po obvode uložené tlačné pružiny.(57) The solution concerns the creation of an additional mechanism to increase the moment of inertia for reciprocating internal combustion engines operating in non-stationary modes. The principle of the solution consists in that on the torque transmitting shaft and bearing the clutch there is a rotatable auxiliary disc arranged at a distance and parallel to the base part of the flywheel, on the base part there are bearing pins evenly from the axis of rotation. end and in the middle provided with driving pins, the ends of which engage longitudinal holes formed diagonally in the auxiliary disc. In the base part of the flywheel there are supports and in the auxiliary disc protrusions, between which the compression springs are arranged symmetrically on the circumference.

CS 264 823 BlCS 264 823 Bl

Vynález sa týká zotrvačníka s premenným hmotovým momentom zotrvačnosti pre piestové spalovacie motory pracujúce v nestacionárnych režimoch.The invention relates to a flywheel with variable mass moment of inertia for reciprocating internal combustion engines operating in non-stationary modes.

V náhodné premenených prevádzkových podmienkach motory polnohospodárskych a lesných traktorov, zemných a dalších samohybných strojov vzhíadom k tomu, že vonkajšie zataženie má nestaoionárny charakter, viac ako 90 % časového fondu pracujú v nestacionárnych režimoch.In randomly transformed operating conditions, the engines of agricultural and forestry tractors, earthmoving and other self-propelled machinery, since the external load is non-staionary in nature, more than 90% of the time fund operates in non-stationary modes.

V závislosti od dynamiky zmien vonkajšieho zataženia a na nej závislej dynamike procesu regulácie nestacionárně režimy móžu byt přechodné alebo neustálené. Přechodné režimy sú charakterizované prechodom motora z jedného ustáleného alebo neustáleného režimu do druhého pri špecifickom pósobení zataženia s vSčšou periodou zmien. Neustálené režimy sú vyvolané periodickými změnami vonkajšieho zataženia, resp. momentu odporu M_Q okolo určitej strednej hodnoty. Periodické změny Μθ pri přechodných a neustálených režimoch vyvolávajú kolísanie otáčok motora i otáčok ústrojenstva přenosu momentu a tým aj kolísanie pojazdovej rýohlosti strojovej súpravy, čo vedie k vzniku a pósobeniu premenných zotrvačných zatažení. S kolísáním otáčok motora dochádza k zhoršeniu procesov plnenia, tvorby zmesi, spalovania i procesu regulácie motora. V dósledku uvedeného sa výkon motora znižuje až o 30 % a spotřeba paliva zvyšuje až o 13 %.Depending on the dynamics of the external load changes and the dynamics of the regulation process dependent thereon, the non-stationary modes may be transient or unstable. The transient modes are characterized by the transition of the engine from one steady or unsteady mode to another under specific load multiplication with a greater period of change. Unsteady modes are caused by periodic changes of external load, respectively. the resistance moment M _Q around a certain mean value. Periodic changes of Μθ in transient and unsteady modes cause variation in engine speed and torque transmission speed and hence variation in the ground speed of the machine, resulting in the occurrence and multiplication of variable inertia loads. As the engine speed fluctuates, the filling, mixture, combustion, and engine control processes are deteriorated. As a result, engine power is reduced by up to 30% and fuel consumption is increased by up to 13%.

Doteraz známe vyhotovenia zotrvačníka piestových spalovacích motorov, pokial ide o jeho tvarvelkost i moment zotrvačnosti vychádzajú z dovolenej nerovnoměrnosti chodu motora a z aaximálneho přebytku práce, pričom sa berie do úvahy lahké spúštanie motora, plynulý rozbez vozidla či súpravy, menej už kvalita regulácie a vyrovnanie náhlých periodických zmien zataženia.The known flywheel designs of piston combustion engines, both in terms of shape and moment of inertia, are based on the permissible unevenness of the engine running and on the maximum excess of work, taking into account easy engine starting, smooth start-up of the vehicle or set. load changes.

Piestové spalovacie motory, ktoré pracujú v kvazistacionárnych režimoch, vynikajú vysokou akceleráciou a hospodárnosťou prevádzky v dósledku nízkých strát z iahkých pohyblivých častí klukového ústrojenstva a zotrvačníka s menším momentom zotrvačnosti. Piestové spalovacie motory, ktoré pracujú v nestacionárnych režimoch, vyžadujú obrátený přístup k ich vyhotoveniu, podmienený potřebou získat čo najváčšie zotrvačné momenty rotujúcich častí klukového ústrojenstva, najmS zotrvačníka a vSčšiu necitlivost regulácie pri dodržaní stability a periodickej regulácie s ohladom na dynamiku zmien zataženia. Takýto přístup sa doteraz neberie do úvahy, čo vedie k vyššie popísáným negativným dósledkom a nízkej efektivnosti premeny energie vóbeo.Piston internal combustion engines, which operate in quasi-stationary modes, excel in high acceleration and economy of operation due to low losses from the light moving parts of the crankshaft and flywheel with less moment of inertia. Reciprocating internal combustion piston engines require a reversed approach to their design, subject to the need to obtain the greatest moment of inertia of the rotating parts of the crank gear, especially the flywheel, and greater insensitivity of the control while maintaining stability and periodic control with respect to load dynamics. So far, such an approach has not been taken into account, leading to the above-described negative consequences and low efficiency of energy conversion in vobe.

Vplyv uvádzaných nedostatkov piestových spalovacích motorov pracujúcich v nestacionárnych režimoch podstatné obmedzí zotrvačník s premenným hmotovým momentom zotrvačnosti podlá vynálezu. Jeho podstata spočívá v tom, že na klukovom hríadelí prenášajúcom moment je v odstupe a rovnoběžně so základnou častou zotrvačníka so spojkou usporiadaný otočné přídavný kotúč, pričom na základnej časti sú rovnoměrně od osi otáčania excentricky umiestnené zo strany motora nosné čapy, na ktorých sú otočné uložené páky so závažiami na konooch a uprostřed opatřené unášacími čapmi, ktorých konce zasahujú do pozdlžnych otvorov vytvořených diagonálně v prídavnom kotúči. V základnej časti zotrvačníka sú operky a na prídavnom kotúči výstupky, medzi ktorými sú symetricky po obvode uložené pružiny.The influence of the reported drawbacks of reciprocating internal combustion engines operating in non-stationary modes will substantially limit the flywheel with the variable mass moment of inertia of the invention. It is based on the fact that on the torque-transmitting crankshaft a rotatable auxiliary disk is arranged at a distance and parallel to the base part of the flywheel and the clutch, the support parts on which the pivots are mounted eccentrically on the base part on the motor side levers with weights on the hinges and in the middle provided with driving pins, the ends of which engage in the longitudinal holes formed diagonally in the auxiliary disc. In the base part of the flywheel, there are projections and on the auxiliary disc protrusions, between which springs are arranged symmetrically around the circumference.

Výhody zotrvačníka s premenným hmotovým momentom zotrvačnosti podlá vynálezu sú v tom, že umožňuje podstatné zvýšenie momentu zotrvačnosti motora v okamžikoch, ked je najviao potřebný na rýchlejšie prekonanie zvýšeného momentu odporu a pri poklese momentu odporu rýohlejšie zvyšuje frekvenciu otáčania klukového hriadela, čím motor získává vyššiu prispósobivost zaťaženiu pri zníženej nerovnoměrnosti chodu. Následné sa skracuje čas, zlepšuje kvalita a dynamická stabilita regulácie motora. V súhrne v porovnaní s doteraz známými vyhotoveniami zotrvačníkov, zotrvačník podlá vynálezu zvyšuje výkon motora, znižuje spotřebu paliva a v dósledku menšieho kolísania pojazdovej rýohlosti strojových súprav zlepšuje kvalitu technologických procesov za efektívnejšej premeny energie.The advantages of the flywheel with variable mass moment of inertia according to the invention are that it allows a substantial increase in the moment of inertia of the engine when it is most needed to overcome the increased resistance moment more quickly and increases the crankshaft rotational speed more rapidly as the resistance moment decreases. load with reduced running unevenness. Consequently, time is shortened, the quality and dynamic stability of the engine control is improved. In summary, in comparison with the prior art flywheel embodiments, the flywheel of the present invention increases engine performance, reduces fuel consumption, and improves the quality of technological processes for more efficient energy conversion due to less fluctuation in the travel kits of machine sets.

Vynález je bližšie konštrukčné a funkčně objasněný na příklade jeho prevedenia, kde na obr. 2 je schéma bočného pohladu na zotrvačník a na obr. 1 schéma osového řezu.The invention is described in more detail by way of example and its operation. 2 is a side view diagram of the flywheel; and FIG. 1 shows an axial section diagram.

Zotrvačník s premenným hmotovým momentom zotrvačnosti podlá vynálezu pozostáva zo základnej časti zotrvačníka so spojkou upevněných na klukovom hriadeli a na ňom je v odstupe a rovnoběžně so základnou častou JL zotrvačníka usporiadaný otočné přídavný kotúč 2, pričom na základnej časti JL sú po obvode rovnoměrně od osi otáčania excentricky umiestnená zo strany motora nosné čapy 3, na ktorých sú otočné uložené páky Ei so závažiami 6 na koncoch a uprostřed opatřené unášacími čapmi 4, ktorých konce zasahujú do pozdlžnych otvorov ]_, vytvořených diagonálně v prídavnom kotúči 2. V základnej časti JL zotrvačníka sú operky 9 a na prídavnom kotúči 2 výstupky 10, medzi ktorými sú symetricky po obvode uložené pružiny j8. Vzájomná poloha základnej Časti JL zotrvačníka, přídavného kotúča 2, pák 5 so závažiami b je viazaná a udržovaná pružinami _8 tak, aby přídavný kotúč JJ mohol vykývnuť o uhol & a páky E> so závažiami jj o uhol pričom dížka A pružin J8 před vykývnutím sa skráti na dlžku B po ich stlačení.The flywheel with variable mass moment of inertia according to the invention comprises a base part of the flywheel with a clutch mounted on the crankshaft and spaced apart and parallel to the base part L1 of the flywheel is a rotatable auxiliary disc 2, the base part LL being circumferentially circumferentially eccentrically positioned from the engine side, bearing pins 3, on which the pivoting levers Ei with weights 6 at the ends and in the middle provided with driving pins 4, the ends of which extend into the longitudinal holes 1 formed diagonally in the auxiliary disc 2. the projections 10, between which springs 8 are disposed symmetrically around the circumference. The relative position of the flywheel base portion 1, the auxiliary disc 2, the levers 5 with the weights b is bound and maintained by the springs 8 so that the auxiliary disc 11 can swing by an angle α of the weights j by an angle. shortens to length B when pressed.

Funkcia zotrvačníka s premenným hmotovým momentom zotrvačnosti podlá vynálezu je založená na tom, že klukový mechanizmus piestového spalovacieho motora a dalšie členy traktora či vozidla s ním spojené tvoria sústavu hmotných torzně pružných telies, prenášajúcich časovo premenný točivý moment M_t, vyvolaný pracovným obehom a zotrvačnými účinkami klukového mechanizmu, hlavně zotrvačníka, redukovanými ku klukovému hriadelu na jednej straně a na druhej straně časovo premený M_q a zotrvačné účinky posuvných a rotačných hmůt traktora či vozidla i pracovného stroja redukovanými taktiež ku klukovému hriadelu.The function of the flywheel with variable mass moment of inertia according to the invention is based on the fact that the crank mechanism of the piston internal combustion engine and other tractor members or vehicles associated therewith form a system of massive torsion-elastic bodies transmitting time variable torque M _t induced by working cycle and inertia the crank mechanism, mainly the flywheel, reduced to the crankshaft on the one hand and the time-transformed M _q on the other and the inertia effects of the sliding and rotating masses of the tractor or vehicle and the working machine also reduced to the crankshaft.

Ak opísanú reálnu viachmotovú sústavu nahradíme ekvivalentným dynamickým modelom, kde kinetickú energiu jednotlivých hmůt nahradíme rovnako velkou E_k hmoty příslušného zotrvačníka, potom pri zanedbaní účinkov pružných elementov, torzného kmitania a dalších zjednodušení možno napísať rovnicu dynamickej rovnováhy v tvare dtoIf we substitute the described real multi-mass system by an equivalent dynamic model, where the kinetic energy of individual masses is replaced by the same mass E _{to the} mass of the flywheel, then neglecting the effects of elastic elements, torsional oscillations and other simplifications

M. + I = μ + I t - m dt o - a dtM. + I = μ + I t - m dt o - and dt

Vo vztahu M_t a Μθ sú okamžité hodnoty točivých momentov, 1^ hmotový moment zotrvačnosti motora a X hmotový moment zotrvačnosti traktora či vozidla á pracovného stroja. Trecie a 3 iné stratové momenty sú zanedbané.In the relation M _t and Μθ are the instantaneous torque values, 1 µ the mass moment of inertia of the engine and X the mass moment of inertia of the tractor or vehicle and the working machine. Friction and 3 other loss moments are neglected.

Zotrvačník s premenným hmotovým momentom zotrvačnosti podlá vynálezu pri přebytku akumuluje energiu a přebytku M_Q chýbajúcu energiu dodává, pričom působí vždy proti změnám uhlovej rýchlosti to . Pri časovom vzraste M_q o určitú hodnotu najprv okamžité vznikom a působením odstredivej sily reaguje zotrvačník podlá vynálezu vykývnutím pák 5 so závažiami 6, tj. zvýšením momentu zotrvačnosti pri relativné menšom znížení ta a až s istým mizivo krátkým oneskorením zasahuje regulátor. Ked aplikujeme zákon o zachovaní energie platí:The flywheel with variable mass moment of inertia according to the invention accumulates energy at an excess and supplies the excess M _{Q with the} missing energy, always counteracting changes in angular velocity t0. When M _q increases by a certain amount, the flywheel according to the invention reacts by swiveling the levers 5 with the weights 6, i.e. by the centrifugal force. by increasing the moment of inertia with a relatively smaller reduction of t a, and with a slightly short delay, the controller intervenes. When applying the Energy Conservation Act:

^Ek ⁼ 7 ^(Iz ^+Λΐζ⁾ ·ω² ’ωι ^E k ⁼ 7 ^(I z ^{+ Λΐ} ζ ⁾ · ω ² 'ωι

Vo vztahu I je moment zotrvačnosti zotrvačníka v základnej poloheŮI, prírastok momentu z z zotrvačnosti a relativný pokles uhlovej rýchlosti. Je preukázne, že v danom případe sa zotrvačník s premenným hmotovým momentom zotrvačnosti podlá vynálezu chová tak, ako klasický zotrvačník s v3čším momentom zotrvačnosti a teda aj menším poklesom uhlovej rýchlosti.In relation I, the moment of inertia of the flywheel is in the home position II, the increment of moment of z of inertia and the relative decrease in angular velocity. It will be appreciated that, in the present case, the flywheel having a variable mass moment of inertia according to the invention behaves in the same way as a classical flywheel having a greater moment of inertia and thus a smaller decrease in angular velocity.

Činnost zotrvačníka s premenným momentom zotrvačnosti je nasledovná. Za rozběhu a rovnomernej frekvencie otáčania hriadela budú zotrvačnou silou, třením a napStím tlačných pružin j! páky 5 so závažiami č( udržované na minimálněj vzdialenosti R od osi klukového hriadela.The operation of the flywheel with variable moment of inertia is as follows. At start-up and a uniform shaft speed, the inertia force, friction and tension of the compression springs will be the same. levers 5 with weights n (maintained at a minimum distance R from the crankshaft axis).

Pri vzraste M důjde k zníženiu uhlovej rýchlosti ω_ a působením zotrvačnej sily páky Ei so závažiami 6 vykývnu v smere to , čím relativné natočia základnú časť _1 zotrvačníka a přídavný kotúč 2 proti sebe a stlačia pružiny ji. Vykývnutím pák 5 sa závažia 6 dostanú na vSčšiu vzdialenost R + L od osi rotácie, čím sa zvSčší moment zotrvačnosti sústavy a vzrastajúci M_Q sa rýchlejšie překoná, čo analogicky vedie k menšiemu poklesu frekvencie otáčania hriadela voči doteraz užívanému zotrvačníku a regulačný proces prebehne za kratšiu dobu. Pri následnom poklese Μθ a zvýšení frekvenc.ie otáčania hriadela tlačné pružiny JJ relativné natočia základnú časť 1, a přítlačný kotúč 2 proti sebe a proti směru to za súčasného rýchlejšieho vzrastu frekvencie otáčania hriadela a zníženia momentu zotrvačnosti sústavy. Opísaný proces v závislosti od velkosti a priebehu Μ_θ sa s různou intenzitou opakuje.As M increases, the angular velocity ω is reduced and the inertia force of the lever Ei with the weights 6 swings in the direction of relative rotation of the flywheel base part 1 and the auxiliary disc 2 against each other and compresses the springs. By swinging the levers 5, the weights 6 are moved to a greater distance R + L from the axis of rotation, thereby increasing the moment of inertia of the system and increasing the M _Q faster, resulting in a smaller decrease in the shaft rotational speed compared to the flywheel used hitherto. time. With the subsequent drop Μθ and increase of the shaft rotation frequency, the compression springs 11 relatively rotate the base part 1 and the thrust disk 2 against each other and against it while increasing the shaft rotation frequency and reducing the moment of inertia of the assembly. The described process, depending on the size and course a _θ , repeats with varying intensity.

Hlavné výhody zotrvačníka motora s premenným momentom zotrvačnosti podlá vynálezu sú v tom, že pri jeho optimálnom vyhotovení v závislosti od exoentricity nosných čapov 3, dížky pák 5, velkosti závaží 6_ a parametrov tlačných pružin i vzdialenosti unášacích čapov a poměru delenia hmotnosti medzi základnú časť 1 zotrvačníka a páky ji so závažiami 6, umožní podstatné zvýšenie momentu zotrvačnosti a to v čase, ked je najviac potřebný na prekonanle vzrastajúceho Μθ na jednej straně, alebo podstatné zmenšenie tvaru a velkosti základnej časti 1 v prospěch pák 5_ so závažiami 6 pri zachovaní původného momentu zotrvačnosti na druhej straně. Ďalej umožní podstatné rýchlejšie prekonávanie vzrastajúceho Μθ a pri jeho poklese podstatné rýchlejšie zvyšuje frekvenciu otáčania hriadela, čím motor získává podstatné vyššiu prispůsobivost zataženiu. Následné sa zlepšuje a skraouje proces regulácie motora i jeho kvalita a dynamická stabilita. Popisované vyhotovenie zotrvačníka motora s premenným momentom zotrvačnosti je tiež unikátnym eliminátorom torzného kmitania hriadela, resp. sústavy. Okrem toho znižuje nerovnoměrnost chodu motora a v súhrne zvyšuje výkon motora, znižuje spotřebu paliva a návazné s tým zlepšuje kvalitu technologického procesu či prevádzky za efektívnejšej premeny energie.The main advantages of the engine flywheel with variable moment of inertia according to the invention are that in its optimal design depending on the exoentricity of the bearing pins 3, the lever length 5, the weight of the springs 6 and the compression spring parameters. the flywheel and the lever with the weights 6 will allow a substantial increase in the moment of inertia at the time when it is most needed to overcome the increasing straněθ on the one hand, or a substantial reduction in the shape and size of the base 1 to the levers 5 with the weights 6 while inertia on the other side. Furthermore, it will allow substantially faster overcoming of increasing Μθ, and as it decreases substantially faster, it will increase the shaft rotational frequency, thereby obtaining a significantly higher load adaptability. Consequently, the process of engine control as well as its quality and dynamic stability are improved and hidden. The described embodiment of the flywheel with variable moment of inertia is also a unique eliminator of torsional oscillation of the shaft, resp. system. In addition, it reduces the uneven running of the engine and, overall, increases engine performance, reduces fuel consumption, and consequently improves the quality of the technological process or operation with more efficient energy conversion.

Zotrvačník s premenným momentom zotrvačnosti je možné využit predovšetkým u piestových spalovacích motorov pracujúcich v nestacionárnych režimoch, tj. u polnohospodárskych a lesných traktorov, zemných strojov a samohybných strojov, ale i osobných a nákladných automobilov, ako i priemyselných strojov a zariadení s charakterom nestacionárneho zaťaženia.The flywheel with variable moment of inertia can be used mainly for piston engines operating in non-stationary modes, ie. for agricultural and forestry tractors, earth moving machinery and self-propelled machinery, but also for cars and trucks, as well as industrial machinery and equipment with a non-stationary load character.

Claims

OBJECT OF THE INVENTION

A flywheel with variable moment of inertia, in which the flywheel base part carries a clutch, characterized in that a rotatable auxiliary disc (2) is arranged at a distance and parallel to the base part (1) on the torque transmitting shaft, the base part being (1) bearing pins (3) are eccentrically positioned equally from the axis of rotation, on which the pivoting levers (5) with weights (6) on the ends and in the middle are provided with driving pins (4), the ends of which engage the longitudinal holes (7) formed diagonally in the auxiliary disc (2), wherein the flywheel base (1) and the auxiliary disc (9) in the flywheel base (1)!

(2) projections (10) between which compression springs (8) are disposed.