CZ2007425A3 - Vyvažovací systém pístového stroje - Google Patents

Abstract

Vyvažovací systém pístového stroje, urcený k úplné likvidaci všech zbytkových dynamických úcinku jeho posuvných hmot a momentu rádu druhé harmonické,tvorený tremi vzájemne rovnobežnými a kinematickypevne svázanými pomocnými vyvažovacími hrídeli (1, 2, 3), rotujícími dvojnásobnou úhlovou rychlostívzhledem k otáckám s nimi rovnobežného hnacího centrálního klikového hrídele, pricemž jen jeden z nich rotuje protibežne. Težište obecných ruzných vyvažovacích hmot (m.sub.1.n.) a (m.sub.2.n.), vyosená s vyloženími (R.sub.1.n.) a (R.sub.2.n.) vuci osám otácení (o.sub.1.n.), (o.sub.2.n.) soubežných pomocných vyvažovacích hrídelu (1), (2) rotují v identické fázové pozici ve dvou ruzných paralelníchrovinách (G-G) a (Q-Q), definovaných opacne orientovanými nenulovými odlehlostmi (g) a (q) od tretí, rovnež s nimi rovnobežné a mezi nimi ležící základní centrální vyvažovací roviny (X-X) stroje, v níž se protismerne a s vyložením (R.sub.3.n.) vuci své ose otácení (o.sub.3.n.) otácí težište vyvažovací hmoty (m.sub.3.n.) opozitního vyvažovacího hrídele (3) tak, že je splnena relace g = - q.m.sub.2.n.R.sub.2.n./m.sub.1.n.R.sub.1.n., pricemž prostorová prímková spojnice (s) stredu otácení (S.sub.1.n.) a (S.sub.2.n.) težišt obou soubežných vývažku (m.sub.1.n.R.sub.1.n.) a (m.sub.2.n.R.sub.2.n.) protíná základní centrální vyvažovací rovinu (X-X) stroje v bode (S), který je prevýšen ve smeru os válcu nad stredem (P) otácení težište opozitního vývažku (m.sub.3.n.R.sub.3.n.) o rozmer (H ( I) pri zachování jejich vzájemné distancní vzdálenosti (D).

Description

Vyvažovači systém pístového stroje

Oblast techniky

Vynález navazuje na řešení multifunkčního vyvažovacího systému podle patentového spisu CZ 297752, jehož vlastností a konstrukční přednosti plně zachovává, ale navíc jeho stavební možnosti ještě dále o nové variace rozšiřuje.

V daném kontextu jde tedy o zařízení, schopné konstrukčně schůdným a zástavbově úsporným způsobem zcela dynamicky vyvážit všechny rušivé, byť i fázově vzájemně posunuté komponenty určité kritické harmonické složky, zde konkrétné zbytkovou posuvnou sílu a příčný klopný moment dominantního druhého řádu.

Takové zadání dnes přichází především jako úloha ve stavbě motorových vozidel s předním pohonem v souvislosti s potřebou zajistit komfort posádky uklidněním zdroje rušivého kmitání mobilních řadových čtyřválcových motorů vyšších kubatur, zejména vysokozdvižných, které jsou součástí tříbodově a příčně uložených hnacích agregátů, opatřených momentovou vzpěrou. Zde pak předmětný vyvažovači systém, zaměřený na prenatální likvidaci budičů kmitů, pocházejících z přirozené dynamické nevyváženosti klikových mechanismů motorů, garantuje úplné a konstrukčně přístupné vyvážení účinků volných sil od setrvačných posuvných hmot pístového soustrojí a jejich vedlejších produktů až na úroveň zanedbatelných reziduálntch budicích složek chvění čtvrtého a vyššího řádu. Přestože se používání podobných pomocných vyvažovačích systémů u řadových motoru až dosud považovalo za doménu zejména dražších vozu vyšší a luxusní třídy, lze s nástupem nových technologií, sledujících redukci emisí CO₂, očekávat jejich další exploatační poptávku. Kromě jiného také proto, že předmětné zařízení vhodně zapadá do chystaného nosného projektu „Inteligentní vozy na obnovitelná paliva. Ekologicky akceptovatelná substituční alkoholová biopaliva totiž disponují proti těm současným nižší výhřevností, takže dotčená motorová vozidla příštích generací, produkovaná na stávající zavedené ortodoxní technologické bázi, budou pro zachování svého výkonu potřebovat nejen objemnější nádrže, ale hlavně i úměrně zvýšené kubatury svých nových spalovacích motorů. Proto existuje podložená predikce, že se i takto upravené stroje s objemově zvětšenými pístovými sekcemi stanou dalšími adepty na uplatnění pomocné vyvažovači techniky.

Dobře představitelné jsou však i dosud nezmíněné možné aplikace vynálezu v technologicky příbuzných oborech mimo stavbu motorových vozidel, například u lodních motorů, kompresorů a zejména velmi perspektivních stacionárních soustrojí pístových motorkompresorových jednotek tepelných čerpadel, jak je podrobněji rozvedeno dále.

* φ • φφφ « φ φ φ * φ φ φ • · ·· 4Φ Φ · Φ « « * · · Φ Φ Φ · · φ

ΦΦ Φ· ΦΦ « > φφ φ« | φ «

Dosavadní stav techniky

Myšlenka vyvažování rychloběžných strojů s periodickým ale nerovnoměrným pohybem posuvných hmot pístových skupin klikových mechanismu, zejména spalovacích motorů, je stará stejně dlouho, jako sám nástup této techniky do zákaznického užívání před více než 100 lety.

Dosud známé základní používané vývojové koncepce konkrétních účinných technických řešení v oblasti preventivní likvidace zdrojů dynamických kmitů v těchto strojích jsou v podstatě dva.

Prvním konstrukčním přístupem k úkolu je tzv. „zrcadlové uspořádání klik a válců“, využívající vzájemné protiběžnosti vyvažovaných hmot, pohybujících se v ekvivalentních klikových mechanismech s relativním přetočením zalomení na hřídeli o fázový úhel právě rz =180°, takže dynamické účinky nerovnoměrnosti pohybu obou přímočaře proti sobě se pohybujících hmot mají možnost, vzájemně se přirozeně rušit. Tohoto principu se s oblibou dodnes používá u plochých motorů, typu „boxer“. Avšak takto zvolený tvar soustrojí neřeší vyvážení budicích příčných momentů, které se zde sčítají a navíc předurčuje svou nutnou zástavbu ve voze naležato, což však vždy nemusí vyhovovat záměrům projektanta.

Proto se s úspěchem uplatňuje jiný technický princip, vhodný i pro obvyklé řadové uspořádání válců pístového stroje, jehož průkopníkem se stal počátkem 20.století Dr. F. Lanchester. Jeho metoda je založena na dynamickém rozkladu nerovnoměrného periodického pohybu posuvných hmot pístových skupin na jednotlivé elementární harmonické složky a na postupné likvidaci přednostně majoritních zbytků nevyvážeností pomocí syntézy protiúčinků odstředivých sil od párových dvojic vzájemně protiběžně rotujících vystředěných závaží, Zásadní roli přitom hraje příznivé uspořádání klik centrálního hřídele a vhodná volba počtu válců řadového motoru tak, aby se předem co nejvíce uplatnila žádoucí „kanibalská“ eliminace rušivých parciálních harmonických složek aktuálních komponent nevyvážeností mezi jednotlivými klikovými mechanismy soustrojí. Potlačení zbytkové dominantní budicí nevyvážené harmonické veličiny stroje, tedy periodicky pulzující výsledné posuvné síly ve směru os válců a jeho vedlejších produktů v podobě příčných momentů vyšších řádů, případně zbytkového rušivého podélného momentu podobných vlastností, je pak svěřeno pomocnému vyvažovacímu systému.

Ten může vycházet z několika různých konstrukčních filosofií a může mít s ohledem na zástavbové možnosti a kompromisy několik podob. Proto se z nouze objevily sice zástavbově příjemné návrhy s neexaktním vyosením vyvažovačích účinků těchto systémů mimo působiště vlastních rušivých budicích sil, které implikují nutnost další kompenzace ·«« · » a (4 * · · · «»1 4 · • * » * · 4 * · 4

4·»· Η»· · · »· »_t účinků takto vzniklých nežádoucích přídavných momentů nebo nám zdůvodňují jejich akceptanci.

Takovým neexaktním postupem je třeba empiricky podkládaná metoda alespoň přibližného vyvážení, vyznávající dimenzování a rozložení vývažků na základě jejich momentové rovnováhy vzhledem k poloze těžiště celého agregátu, které ale leží mimo obligátní vyvažovači rovinu řadového pístového stroje.

Stoletá exaktní Lanchsterova metoda vyvažování řadových motorů je však v současné technické praxi nejrozšířenější a její historická geneze, formy aplikace, přednosti, účinky i úskalí byly již v hlavních bodech podrobněji popsány ve výše vzpomenutém dokumentu CZ 297752, který je zde zároveň odkazován jako reprezentant posledního známého stavu techniky v daném oboru.

Předmětným provedením, podle CZ 297752, se zárukou optimálního vyvažovacího účinku je multifunkční systém, schopný zajistit schůdnou konstrukční cestou totální likvidaci všech zbytkových dynamických složek druhého řádu u řadového pístového čtyřválce. Systém je vybaven vzájemně pevně kinematicky spojenou a dvojnásobnou frekvencí rotující trojicí paralelně situovaných vyvažovačích hřídelů, z nichž jeden se otáčí proti směru pohybu centrálního klikového hřídele. Toto odkazované provedeni, podle CZ 297752, odpovídající schematickému znázornění na Obr. 1, však předpokládá obligátní rotaci těžišť a tím i skládání účinků všech tří angažovaných protizávaží toliko v jediné vyvažovači rovině motoru. To je zajisté také možné a u dosud známých systémů s párovým uspořádáním protiběžných vyvažovačích hřídelů pro dynamické vyvážení vyšších harmonických rušivých složek pístového soustrojí nejen osvědčené a obvyklé, ale ze samotného principu dokonce i nutné. Avšak tato striktně omezující podmínka již není u odkazovaného tříhrídelového provedení, vyvažovacího systému při úplném zachováni svého optimálního účinku, zdaleka nutná aie její rigidní dodržení se zde může stát i nevýhodou. To v případě, když by koncentrace těžišť všech tří rotujících protizávaží v téže jediné exponované rovině symetrie motoru, znamenala tamější lokální zástavbovou nouzi a z toho nutně odvozené konstrukčně omezující ohledy. Výsledkem takto apriori jednoduše převzaté obvyklé Lanchesterovy návrhové filosofie při vyvažování vyšších harmonických budicích složek by tak zbytečně došlo k většímu zastavěnému objemu motoru, než je bezpodmínečně nutně a než potenciál výše odkazovaného základního tříhrídelového konceptu multifunkčního vyvažovacího systému pohodlně umožňuje.

η* • · ···» ···· • · « ·· f«

Β Μ ··

Podstata vynálezu

Výše zmíněný nedostatek posledně uvedeného známého provedení do značné míry koriguje předložený konstrukční návrh vyvažovacího systému pístového stroje podle vynálezu. Jak bylo předesláno, předmětné řešení využívá jako výchozího stavu již existujícího a známého konceptu syntézy potřebných souběžných a protiběžných vyvažovačích složek dominantní druhé harmonické pomocí synchronně rotující trojice vzájemně rovnoběžných hřídelů s osami o_1t o₂, o₃, opatřenými vystředěnými hmotami ηη , m₂ a m₃ s těžišti, vyosenými o vyložení R·, , R₂ a R₃, generujícími takto vyvažovači odstředivé síly O,, O₂a O₃ o velikostech, určených zde připojenými vztahy

O-t = 4. ω² e^2]a O2 = 4, m2R2 ω² e^2;o O3 = 4. m₃R₃ ω² e'^2ia.

Jedná se o definici odstředivých sil, jako vektorů, rotujících ve dvou případech souhlasně a jednou opozitně vůči směru otáčeni klikového hřídele a to přesně dvojnásobnou úhlovou rychlostí 2w,

Na rozdíl od výše odkazovaného známého řešení je však předložený vyvažovači systém technologicky pokročilejší, protože již nepracuje na základě obvyklého omezujícího dvoudimenzionálniho skládání účinků rotujících odstředivých sil O,, O₂a O₃ toliko v jediné vyvažovači rovině X-X, ale operuje obecněji. A to třídimenzionálně s axiální diverzifikací polohy středů rotace S₂a P těžišť těchto vystředěných vývažků rr»iR₄, m₂R₂a m₃R₃na příslušných osách otáčeni o₂, a o₃ve třech různých paralelních rovinách G-G, Q-Q a X-X se vzájemně svázanými odlehlostmi g a q, jak je ukázáno na Obr.2. Jestliže rovina rotace G-G náleží pohybu těžiště prvního, zde horního souběžného vývažku m,Ri, rovina rotace Q-Q je přiřazena pohybu těžiště druhého, zde spodního souběžně rotujícího vývažku m₂R₂, pak jejich relativní vzdálenosti g a q od základní centrální vyvažovači roviny X-X, v níž obligátně rotuje těžiště protiběžného vývažku m₃R₃, jsou vázány podmínkou permanentní momentové rovnováhy obou neustále rovnoběžných odstředivých sil O₁,O₂ souběžných protizávaží miR_1t m₂R₂vůči průsečíku S přímkové spojnice s středů rotací S₄, S₂ se základní centrální vyvažovači rovinou X-X motoru takto

g.miFh + q.m₂R₂= 0.

• · « · · · · « • » · · · · »··· ··« · * • · · « ·«· · · ·····«·· ·«««««·· · · · · · ·

Potom po volbě odlehlosti q roviny Q-Q rotace síly je vzdálenost g roviny G- G rotace síly O2od základní centrální vyvažovači roviny X-X určena formulí g = “q.m₂R₂/m₁R₁ a naopak.

Znaménka v použitých vztazích naznačují, že pozice obou rovin rotací G-G a Q-Q těžišť souběžných vývažků rr^R, a m₂R₂ se nacházejí ve vzájemně protilehlých poloprostorech, vytčených právě základní centrální vyvažovači rovinou X-X podélné symetrie válců a orientace jejich absolutních vzdáleností g, a q, tedy axiální pozice těžišť souběžných vývažků miR! a m₂R₂ pomocných vyvažovačích hřídelů 1 a 2 mohou být případně bez změny účinku systému vzájemně prohozeny.

Dále se uplatňuji základní podmínky, společné rovněž i pro multifunkční vyvažovači systém v provedeni podle CZ 297752.

Tedy pro úplné vyvážení sumární volné rušivé posuvné síly druhé harmonické

F = 4.Kn.m.r.w^zcos2ff je (při ojničním poměru Λ = r /1 = 0,3) nutnou podmínkou volba rmR, + m₂R₂ = m₃R₃ = m.r (Λ +/P/4+...)/2 «0,153525 m.r

Pro ideální případ požadavku úplného vyvážení rušivého, ale fázově posunutého příčného momentu

M_q= 2.m.r.w^zsin2o u řadového čtyřválce je rovněž tak podmínkou dosažení převýšení H průsečíků S nad středem P rotace těžiště opozitního vývažku ve směru os válců o ideální velikosti

H = zl.l / (yl +4³/4 +...) «0,97,1

To vše navíc platí za předpokladu symetrického dodrženi identických ale opačně orientovaných odlehlostí u středu P rotace těžiště protiběžně rotujícího vývažku m₃R₃ a výše zmíněného průsečíku Sod roviny válců V-V, což dohromady splňuje podmínka dosažení jejich vzájemné distanční vzdálenosti D o velikosti • · ·· ··· · ·« ·· ···· ··· · · · • « ··**· · · · • »»·♦*···*· * « ««·· *»» ··«*··»· ·· · · ·· ·

D = J(H² + 4.U²)

Při zachování těchto zásad symetrie, správné dimenzi vývažků a pří respektování potřebných geometrických relací pro rozmístění vyvažovačích hřídelů, pak zde představený pomocný systém garantuje úplné dynamické vyváženi pístového řadového čtyřválcového soustrojí s centrickým klikovým mechanismem až do nepatrných reziduálních budicích chvění čtvrtého a vyššího řádu. Takový efektivní účinek je však zde nově zajištěn při rozšířené nabídce dalších konstrukčních a zástavbových variant, aplikovatelných u předmětného řadového čtyřválcového pístového soustrojí.

Vzhledem k matematické symetrii výše uvedených vztahů a k jejich platnosti i v případě dosazení příslušných veličin s opačnými znaménky, je zcela zaručena i funkční parita zrcadlových konfigurací zde znázorněného konstrukčního provedení. A to jak co do rozmístěni vyvažovačích hřídelů 1, 2, a 3 vůči rovině válců V-V, tak i ohledně axiálních lokací těžišť vývažků n^R, a m₂R₂ vzhledem k základní centrální vyvažovači rovině X-X. To znamená, že zde uvedený příklad automaticky reprezentuje ještě svá další tři příbuzná, zástavbově stejně použitelná a funkčně zcela ekvivalentní analogická provedení. Díky těmto svým symetrickým vlastnostem pak představený vyvažovači systém pístového stroje také zcela identicky funguje při obou směrech otáčení klikového hřídele 5.

Výhody řešení podle vynálezu.

Přínosem předloženého řešení je zpestřená nabídka dalších použitelných nekonvenčních konstrukčních zástavbových variant a kreaci efektivního tříhřídelového multifunkčního vyvažovacího systému řadového čtyřválcového motoru, jako typologického zástupce obecného pístového soustrojí, při samozřejmém zachování všech jeho dosavadních funkčních předností podle odkazovaného spisu CZ 297752.

Účelem řešení je posunutí této techniky na její technologicky ještě pokročilejší úroveň ohledně zástavbově efektivnější využitelnosti vnitřního prostoru vyvažovaného pístového stroje a tím i další možné minimalizace jeho vnějšího obestavěného objemu.

Takové nové možnosti řešení podle vynálezu naznačuje určitá voiitelnost potřebného vnitrního prostoru, nutného pro volný rotační pohyb protizávaží o hmotách m₂a m₃ s těžišti, vyosenými o vyloženi R₂ a R₃ vůči osám otáčení o₂, a o₃ vyvažovačích hřídelů 2 a 3. Toto místo lze například v intenci návrhu příhodně nalézt v karteru motoru pod pozicemi hlavních ložisek klikového hřídele 5 mezí rotujícími rameny jeho zalomení a protizávaží. Podobná « · « · · · · · • « ····· · · • · ·*«*·*« ··· ···« «« «* ·♦ · zástavba rotujících vyložených hmot vyvažovačích hřídelů vychází na rozdíl od některých z praxe známých provedení i kompaktnější a podstatně méně omezující jinak choulostivou světlou výšku vozu pod vanou motoru,

Přednosti předložené konstrukce vyvažovacího systému je rovněž ta skutečnost, že k vzájemné eliminací rušivých a vyvažovačích sil a jejich odvozených účinků dochází mezi díly motoru převážně krátkou cestou, konkrétně v oblasti uložení klikového hřídele 5 a blízkých ložisek obou spodních pomocných vyvažovačích hřídelů 2 a 3. To má další synergický vliv na menší hmotnost a úspornější pevnostní dimenzi dotčených dílů i na mechanickou účinnost celé pomocné konstrukce.

Jak je rovněž výše odvozeno, předložený vyvažovači systém je také s výhodou reverzibilní. To znamená, že si plně zachovává svou funkci i v případě změny směru otáčení centrálního klikového hřídele 5 soustrojí.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je biíže osvětlen pomocí dvou připojených vzájemně korespondujících vyobrazení, týkajících se téhož přikladu provedeni.

Obr.1 znázorňuje částečný příčný řez klikovým mechanismem prvního válce řadového motoru a čelní pohled a průhled do všech tří vyvažovačích rovin G-G, X-X a Q-Q systému ve směru „U“, vyznačeném na Obr.2. V této smíšené čelní projekci vyvažovacího systému do nákresny jde v podstatě o ukázku jedné z dalších možných verzí již známého tříhřídelového multifunkčního vyvažovacího systému podle odkazovaného spisu CZ 297752, Z tohoto důvodu proto Obr.1 zároveň připomíná poslední výchozí známý stav techniky a vlastní předmět vynálezu toliko doplňuje vhodnou odpovídající příčnou konfiguraci dílů dotyčného pístového stroje.

Obr.2 dokumentuje v podélném schematickém korespondujícím částečném řezu pístovým strojem s pohledem ve směru „W“, podle Obr.1, nově vlastní princip vynálezu. Jde o nekonvenční, ale zcela koherentní a rovněž obecně stejně účinné nesymetrické podélné rozvržení poloh středů rotace S-ι, S₂a P těžišť protizávaží miRi, m₂R₂a n^Rana osách otáčeni o-ι, o₂, 03 vyvažovacího systému. Tyto jsou vztaženy vůči základní centrální vyvažovači rovině X-X podle definice uvedené v nárocích. Zároveň je zde též znázorněn zvláštní případ výhodné volby relativní axiální lokace těžišť vystředěných protizávaží m₂R₂ a rrbRa v karteru motoru 9.

v v » t · · · · ** · · · · ι · » t a * · ·» I • · · · · · · ·· ·

R ·♦······· ·**« ···· ·· ·· · ·

Příklad provedení vynálezu

Příklad možného konkrétního konstrukčního provedeni podle vynálezu se nachází na obrázcích Obr.1 a Obr.2. Ty představují čtyřválcové soustrojí s řadovým uspořádáním válců 6 v bloku 9, z nichž každý disponuje úplným pístem 7, ojnicí s délkou I a vlastní centrickou klikovou sekcí o vyosení klikových čepů r, provedeném mezi rameny centrálního klikového hřídele 5 se separátními vývažky rotačních hmot mechanismu. Symetrický klikový hřídel 5 je na svém výkonově výstupním konci opatřen nezakresleným, ale dostatečně dimenzovaným setrvačníkem, který zajišťuje potřebnou rovnoměrnost chodu celého soustrojí. Vzhledem k tomu lze při ustáleném provozním stavu považovat i úhlovou rychlost ω centrálního klikového hřídele 5 za takřka konstantní. Rovnoběžně s ním jsou v tělese bloku motoru 9 uloženy i tři pomocné vyvažovači hřídele 1, 2 a 3, otáčející se exaktně dvojnásobnou úhlovou rychlostí 2ω. to tak, že jeden z nich, konkrétně vyvažovači hřídel 3 rotuje protiběžně vůči směru otáčeni všech hřídelů zbývajících, tedy 1,2 i 5. Tuto kinematickou vlastnost a vzájemnou exaktní vazbu zde zajišťuje axiálně štíhlý jednořadý řetězový převod, sestávající z hnacího řetězového kola 4, pevně spojeného s centrálním klikovým hřídelem 5, nekonečného válečkového nebo pouzdrového řetězu 11, soustavy hnaných řetězových kol 10 vyvažovačích hřídelů 1, 2 a 3, případně dalších řetězových kol integrovaných pomocných náhonů, například olejového čerpadla 8. Tento pohonný systém je umístěn na čele motoru v dobře mazaném prostředí pod jeho předním víkem.

Popsaným kompaktním mechanismem lze konstrukčně schůdnou cestou docílit úplného vyvážení obou dominantních volných rušivých komponent řádu druhé harmonické, generovaných nerovnoměrným periodickým pohybem posuvných hmot všech čtyř pístových skupin soustrojí.

Základními podmínkami pro docílení takového efektu jsou správné dimenze hmot m_t, m₂, m₃ a vyložení R,, R₂ a R₃ jejích těžišť, jako rotujících vývažků, definovaných součiny miR_1f m₂R₂a m₃R₃ vůči svým osám otáčení o,, o₂, o₃ v intencích výše uvedených vztahů, tak i jejich geometricky relevantní příčná lokace i axiální umístění jejich těžišť na pomocných vyvažovačích hřídelích 1, 2 a 3, určené opačné orientovanými a s výhodou i různě velkými odlehlostmi g a q rovin G-G a Q-Q jejich rotace. Tato rozmístění vyvažovačích hřídelů 1,2 a 3 v příčném směru, patrná z Obr.1, musí být zároveň provedena tak, aby prostorová přímková spojnice s středů rotace Si, S₂ těžišť obou vývažků m,R, a m₂R₂, jako průsečíků jejich os otáčení o_b o₂ s těmito rovnoběžnými rovinami G-G a Q-Q, protínala základní centrální vyvažovači rovinu X-X soustrojí právě v bodě S, ležícím nad středem P rotace těžiště protiběžného vývažků m₃R₃ a to s odlehlostí Η «I ve směru os válců ph vzájemné distanční vzdálenost D = V(H² + 4,u³), »· • · · · · · • · «···· ·· * • · · · · · · · » »·«··««· ·· · ·· * v téže rovině X-X, přičemž u značí jejich zcela libovolnou a konstrukčně volitelnou odlehlost od roviny válců V-V podle Obr. 1.

Zde na Obr. 2 zachycený konkrétní příklad řešení podle vynálezu s hmotnostně úspornými, relativně koncentrovanými a značně vyosenýmí protizávažími, ukazuje právě jednu vhodnou konstrukční volbu volného paramentu q, totiž zvláštní konfiguraci, kdy je tato odlehlost roviny Q-Q rotace těžiště vývažku m₂R₂ od základní centrální vyvažovači roviny X-X, rovna celistvému nenulovému násobku velikosti rozteče válců t pístového soustrojí. Konstrukce tak může pro podobné vývažky m₂R₂ a m₃R₃, rotující ve spodní částí motoru pod osou klikového hřídele 5 s výhodou využít disponibilního místa pod víky jeho hlavních ložisek.

Díky přirozené relativně štíhlé dimenzi jednotlivých pomocných hřídelů jsou ale možné i další zvláštní konstrukční varianty, například s úplně i částečně spojitými vývažky, vyhovující rovněž připojeným nárokům a podmínkám.

Průmyslová využitelnost

Vyvažovači systém pístového stroje je přednostně určen pro efektivní oproštění mobilních čtyřválcových řadových a vysokozdvižných pístových motorů s většími kubaturami řádově dva litry a výše od přirozených účinků již významných zbytkových nevyvážeností posuvných hmot jejich pístových skupin zejména dominantního řádu druhé harmonické, obtěžujících cestující. A jako takový komfortní konstrukční prvek je předložený návrh od počátku prioritně koncipován a explicitně cílen. Jeho další aplikační nástup a objektivní potenciál v oboru stavby motorových vozidel předznamenává i nová chystaná ekologická legislativa, jak bylo v souvislostech rozvedeno výše.

Přesto však existují dosud nezmíněné potenciály jeho nasazení i v dalších zajímavých, technologicky příbuzných aplikacích mimo tento obor.

Prvním z nich je možné použití efektivního vyvažovacího systému u lodních motorů, které jsou relativně tvrdě uloženy na základní nosník lodního kýlu, takže se výsledné vibrace, generované jejich přirozenými zbytkovými nevyváženostmi, velmi dobře šíří po celém plavidle. Odpomoc s příslibem markantního zlepšení komfortu posádky pak zde nabízí jedině přímá účinná prenatální likvidace samotného zdroje vibrací, která se právě týká zařízení podle vynálezu. Tím se kromě samozřejmého efektu rozumí i reverzní schopnost vyvažovači funkce systému, jíž se právě lodní motory, postrádající převodovky, ale vyžadující možnost manévrovacího zpětného chodu lodi, nezbytně vyznačují. Jediný zdánlivé otevřený problém, totiž zajištění reverzibilíty také mazacího čerpadla, potenciálně vřazeného do okruhu pohonu pomocných hřídelů vyvažovacího systému, pak jednoduše «« * · · ·· *··· «·« · · * β · · · «*« · · · • « ···· « · · «····«·· ·· · · · · řeší jeho adekvátní úprava podie patentového spisu číslo CZ AO 182087 případně jeho analogií DDR Patentschrift Nr. 129983, nebo GB Pat,No 1542618.

Další aplikační možnosti rovněž nabízí oblast stavby velkých řadových pístových kompresorových jednotek, kde přicházejí podobné problémy.

Velmi pravděpodobnou a nadějnou poptávku po předmětné vyvažovači technice si lze v blízké budoucnosti také dobře představit i u provozně komfortní, permanentně pracující a na fosilních zdrojích nezávislé alternativní tepelně energetické techniky Zde se totiž právě řadová pístová čtyřválcová soustrojí aktuálních kubatur přímo nabízejí k využití jako bezkonkurenčně nejefektivnější integrované stacionární autonomní jednotky s dvěma motorovými sekcemi, poháněnými například bioplynem z místního zdroje, vybavených dalšími dvěma kompresorovými válci, zapojenými do okruhu tepelného čerpadla, případně ještě v kombinaci s elektrogenerátorem na společném klikovém hřídeli soustrojí. Je totiž dobře známo, že podobné zařízení, na rozdíl od nízké, avšak fyzikálně predeterminované třetinové termodynamické účinnosti prostého Carnotova cyklu konvenčního spalovacího motoru, disponuje při výrobně technologické a konstrukční příbuznosti obou soustrojí, za podpory geotermického potenciálu okolí, dokonce několikanásobným tepelně energetickým ziskem v porovnání s kalorickým ekvivalentem vloženého paliva, o aspektu zásadní redukce exhalaci ani nemluvě.

_ _ V» »w «*to « • · to · *·* · · · to to to · toto· to to « ·· to······ to··· ···· »· ·· ·· ·

Použitá označeni, symboly a definiční matematické vztahy horní souběžný vyvažovači hřídel spodní souběžný vyvažovači hřídel protiběžný neboli opoziíní vyvažovači hřídel hnací řetězové kolo centrálního klikového hřídele centrální, klikový hřídel stroje blok válců úplný píst mazací olejové čerpadlo blok motoru hnané řetězové kolo pomocného vyvažovacího hřídele 1,2 nebo 3 válečkový nebo pouzdrový řetěz e základ přirozených (Napierových) logaritmů (e= 2,718281828..) g vzdálenost roviny rotace G-G hmoty vývažku ni!, vystředěné s excentricitou R·, vůči ose otáčení Ot horního souběžného vyvažovacího hřídele 1, určená vztahem g = - q.m₂R₂ / m,R, j imaginární jednotka komplexního počtu (j = ý-1) o, osa otáčení horního souběžného vyvažovacího hřídele 1 o₂ osa otáčení spodního souběžného vyvažovacího hřídele 2 o₃ osa otáčení protíběžného (opozitního) vyvažovacího hřídele 3 q vzdálenost roviny rotace Q-Q hmoty vývažku m₂, vystředěné s excentricitou R₂ vůči ose otáčení o₂ spodního souběžného vyvažovacího hřídele 2

I délka ojnice r poloměr kliky centrálního klikového hřídele 5 u protilehlé libovolně volitelné vzdálenosti jinde definovaných průsečíků S, P vyvažovacího systému od roviny válců V-V ve středové vyvažovači rovině pístového stroje X-X m posuvná hmota ekvivalentních dílů pístové skupiny jednoho válce ητη vystředěné hmota vývažku horního souběžného vyvažovacího hřídele 1, m₂ vystředěné hmota vývažku spodního souběžného vyvažovacího hřídele 2, m₃ vystředěné hmota vývažku protíběžného vyvažovacího hřídele 3, s prostorová přímková spojnice středů otáčeni Si a S₂ obou protizávaží mi a m₂ souběžných vyvažovačích hřídelů 1 a 2 s centrální vyvažovači rovinou X-X v a • « * » · • · « • * ♦ * « * · · · · · ««· ···· ·· ·· ·« ·

D distanční vzdálenost bodů S a P v základní centrální vyvažovači rovině X-X, podle

D = ^H² + 4 u²)

F¹ první harmonická složka posuvné síly od pístové skupiny jednoho válce, definovaná vztahem

F'= m.r.uÁcosa

F rušivá posuvná síla zbytkové nevyváženosti stroje, jako na svou nositelku vázaný vektor s oscilující velikostí, vyjadřující celkovou momentální výslednou silovou harmonickou složku druhého řádu, definovanou vztahem

F-4.Kii.m.r.í(?.cos2a

G-G stopa roviny rotace těžiště hmoty vývažku m,, vyloženého o hodnotu R₁ vůči ose otáčení ο_ή horního souběžného vyvažovacího hřídele 1, v nákresně Obr.2

Ku Grammelův součinitel velikosti amplitudy druhé harmonické složky setrvačné síly od posuvných hmot m jednoho válce klikového soustrojí, definovaný součtem liché matematické nekonečné řady jako

K„ = (λ + λ³/4 + 15.λ⁵/128 + 35.λ⁷/512..) «0,307

Mq výsledná rušivá příčná momentová harmonická složka druhého řádu jako vedlejší součtový produkt jinak vyvážených prvních harmonických sil F¹, definovaný jako volný vektor ve směru os otáčení všech rovnoběžných hřídelů soustrojí s velikostí, oscilující podle vztahu

Mq = 2.m.r².o².sin2a

H potřebné vzájemné orientované převýšení jinde definovaných bodů S, P vyvažovacího systému ve směru průsečnice roviny válců V-V a centrální vyvažovači roviny X-X o ideální teoretické velikostí

Η = λ.Ι / Ku = I / (1 +λ^ζ/4+15.λ⁴/128..) «0,97.1

4

4

4 * 4 • » · » • 4 4 · 44« · 4 l 4 4 · • 4 »44*

4*44 ·«*· 44 ··

Ο, odstředivá síla hmoty vývažku rr»i vyvažovacího hřídele 1, rotujícího na rameni Ri v rovině G-G, definovaná vztahem

O, = 4. m^! ω² e^2jfl

O₂ odstředivá síla hmoty vývažku m₂ vyvažovacího hřídele 2, rolujícího na rameni R₂ v rovině Q-Q, definovaná vztahem

O₂ = 4. m₂R₂ ω² e^2l<í

O₃ odstředivá sila hmoty vývažku m₃ vyvažovacího hndele 3, rotujícího na rameni R₃ v rovině X-X, definovaná vztahem

O₃ = 4. m₃R₃ w² e'^2j0

P průsečík osy otáčení o₃ protiběžného vyvažovacího hřídele 3 s rovinou rotace X-X jeho vývažku m₃R₃

Q-Q stopa roviny rotace hmoty vývažku m_z, vyložené o hodnotu R₂ vůči ose otáčení o₂ spodního souběžného vyvažovacího hřídele 2, v nákresně Obr.2

Ri vyložení těžiště vývažku ni! vůči ose otáčení o, vyvažovacího hřídele 1 v rovině jeho rotace G-G

R₂ vyloženi těžiště vývažku m₂ vůči ose otáčeni o₂ vyvažovacího hřídele 2 v rovině jeho rotace Q-Q

R₃ vyložení těžiště vývažku m₃ vůči ose otáčení o₃ vyvažovacího hřídele 3 v rovině jeho rotace X-X

S průsečík prostorové přímkové spojnice s středů otáčení Si a S₂ těžišť obou excentrických protizávaží mi.Ri, m₂.R₂ souběžných vyvažovačích hřídelů 1 a 2 s centrální základní vyvažovači rovinou X-X průsečík osy otáčení Oi horního souběžného vyvažovacího hřídele 1 s rovinou rotace G-G těžiště jeho vývažku

5₂ průsečík osy otáčení o₂spodního souběžného vyvažovacího hřídele 2 s rovinou rotace Q-Q těžiště jeho vývažku

V-V stopa roviny válců řadového pístového stroje v nákresně Obr.1 a zároveň jako průsečnice s rovinou X-X nositelka výsledné rušivé síly F, znázorněná na

Obr.1 • « · * · · : i :ι..

···» • · * »« *«

X-X stopa základní centrální vyvažovači roviny soustrojí a zároveň roviny rotace těžiště hmoty vývažku m₃, vyloženého o hodnotu R₃ vůči ose otáčení o₃ protiběžného (opozitního) vyvažovacího hřídele 3 v nákresně Obr.2 a zároveň též nositelka rušivé sily F jako průsečnice s rovinou V-V, znázorněná na Obr.2 a úhel pootočení kliky prvního válce z polohy horní úvrati jeho pístu 7 ω kvazikonstantní úhlová rychlost centrálního klikového hřídele 5 A klikový (ojniční) poměr, definovaný jako A = r /1 (přibližně bývá A =0,3 ) + souběžný smysl otáčení, souhlasný se směrem rotace centrálního hřídele 5 vyvažovaného stroje protiběžný smysl otáčení, opozitní vůči směru rotace centrálního hřídele 5 vyvažovaného stroje

Claims (2)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Vyvažovači systém pístového stroje, určený k úplné likvidaci všech zbytkových dynamických účinků jeho posuvných hmot a momentů řádu druhé harmonické, tvořený třemi vzájemně rovnoběžnými a kinematicky pevně svázanými pomocnými vyvažovacími hřídeli, rotujícími dvojnásobnou úhlovou rychlostí vzhledem k otáčkám s nimi rovnoběžného hnacího centrálního klikového hřídele, přičemž jen jeden z nich protiběžně, vyznačený tím, že těžiště obecných různých vyvažovačích hmot (mfla (m₂), vyosená s vyloženími (Rfl a (R₂) vůči osám otáčení (ofl, (o₂) souběžných pomocných vyvažovačích hřídelů (1), (2) rotují v identické fázové pozici ve dvou různých paralelních rovinách (G-G) a (Q-Q), definovaných opačně orientovanými nenulovými odlehlostmi (g) a (q) od třetí, rovněž s nimi rovnoběžné a mezi nimi ležící základní centrální vyvažovači roviny (X-X) stroje, v níž se protisměrně a s vyložením (R₃) vůči své ose otáčení (o₃) otáčí těžiště vyvažovači hmoty (m₃) opozitního vyvažovacího hřídele (3) tak, že je splněna relace g = - q.m₂R₂ / m,R_; přičemž prostorová přímková spojnice (s) středu otáčení (Sfl a (S₂) těžišť obou souběžných vývažků a (m₂R₂) protíná základní centrální vyvažovači rovinu (X-X) stroje v bodě (S), který je převýšen ve směru os válců nad středem (P) otáčeni těžiště opozitního vývažků (m₃R₃) o rozměr (H =l) při zachování jejích vzájemné distanční vzdálenosti (D), určené vztahem

D = γ(Η² + 4.u²) kde parametr (u) představuje konstrukčně libovolně volitelnou vzdálenost a (I) značí délku ojnice.

2. Vyvažovači systém pístového stroje podle nároku 1, vyznačený tím, že konstrukční vzdálenost (q) rovnoběžných rovin (Q-Q) a (X-X) rotace těžišť vývažků (m₂R₂) a (m₃R₃) pomocných vyvažovačích hřídelů (2) a (3) je zvolena jako celistvý nenulový násobek velikosti rozteče válců (t) vyvažovaného pístového stroje.