CZ297752B6

CZ297752B6 - Multifunkcní vyvazovací systém

Info

Publication number: CZ297752B6
Application number: CZ20050717A
Authority: CZ
Inventors: Babák@Jan
Original assignee: Skoda Auto A. S.
Priority date: 2005-11-16
Filing date: 2005-11-16
Publication date: 2007-03-21
Also published as: CZ2005717A3; EP1788279A3; EP1788279A2

Abstract

Multifunkcní vyvazovací systém je tvoren soustavou trí vzájemne rovnobezných vyvazovacích hrídelu (1, 2 a 3), kinematicky pevne a bezprokluzove svázaných s centrálním hrídelem (5) o úhlové rychlosti (.omega.), otácejících se stejnými konstantními úhlovými rychlostmi (2..omega.) a (-2..omega.), a tojednak v páru ve stejné úhlové fázi, jako s centrálním hrídelem (5) soubezné a po obou stranách stopy (v-v) roviny válcu umístené hrídele (1 a 2) a jednak sólove a opozitne jako vuci nim protibezný vyvazovací hrídel (3), opatrených ve vyvazovací rovine stroje pusobícími rotujícími statickými vývazky (m.sub.1.n..R.sub.1.n.), (m.sub.2.n..R.sub.2.n.)a (m.sub.3.n..R.sub.3.n.), umístenými vne mechanismu vyvazovaného stroje tak, ze prusecíky (S.sub.1.n., S.sub.2.n. a P) jejich os rotace s vyvazovacírovinou tvorí hmotné vrcholy vláknového trojúhelníka (.DELTA.S.sub.1.n.S.sub.2.n.P), jejichz spolecné statické teziste (T), vázené velikostmi jim príslusných statických vývazku (m.sub.1.n..R.sub.1.n.), (m.sub.2.n..R.sub.2.n.) a (m.sub.3.n..R.sub.3.n.), lezí na nositelce (v-v) rusivé síly (F.sup.II.n.) a pulí pritom vzdálenost mezi stredem otácení (P) sólove a opozitne rotujícího vyvazovacího hrídele (3) a párovým tezistem (S) stejne vázených stredu otácení (S.sub.1.n., S.sub.2.n.) soubezne rotujících pomocných vyvazovacích hrídelu (1, 2).

Description

Multifunkční vyvažovači systém

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu zástavby přídavných vyvažovačích hřídelů pístového stroje, schopných simultánně eliminovat více různých rušivých harmonických vibrací stejného řádu, procházejících například od přirozené dynamické nevyváženosti klikového mechanismu. Zvlášť vhodný je pro stavbu spalovacích pístových motorů, hlavně pro uklidnění mobilních řadových čtyřválců vyšších kubatur, zejména pak dlouhozdvižných a těch, které jsou uloženy v automobilu ve třech bodech 10 napříč a jsou opatřené reakčním momentovým vzpěmým táhlem, zakotveným do přenosově choulostivé nápravnice a představujících zdroj nežádoucích vibrací, obtěžujících posádku.

Navržené řešení rozšiřuje aplikační možnosti původního základního principu dodatečného vyvažování klikových mechanismů přídavnými, vzájemně proti sobě rotujícími páry hřídelů s kon15 krétní pevnou kinematickou vazbou, který již v roce 1903 fundamentálně odvodil a navrhl Dr. Frederick W. Lanchester a který o 80 let později jako další, tzv. „twin-shaft“ vylepšený multifunkční systém v praxi použili někteří renomovaní výrobci automobilů.

Aplikační potenciál vynálezu je aktuální zejména pro takové konstrukční varianty motorů, kde až 20 dosud nemohly být všechny přednosti Lanchesterových a multifunkčních vyvažovačích „twinshaft“ hřídelů v tradičním párovém uspořádání z konstrukčních důvodů plně optimálně využity, ať již to bylo z důvodu kolize hmot některého z dvojice vyvažovačích hřídelů s klikovým mechanismem stroje anebo z kompromisní nutnosti redukce jejich využitelného efektu či vzhledem ke svým značným a specifickým zástavbovým nárokům, nevyhovujícím dnešním potřebám a sou25 časným představám o kompaktním moderním mobilním hnacím agregátu.

Dosavadní stav techniky

Příznačným trendem současné stavby osobních automobilů je pronikání osvědčené koncepce 30 předního pohonu motorových vozidel s monoblokovým příčně uloženým hnacím agregátem do tříd stále vyšších motorových kubatur. To však při aplikacích obvyklých spalovacích řadových motorů a požadavcích na jejich kompaktnost a kritickou dostatečně krátkou zástavbu vytváří dilema nejvhodnější volby smysluplného počtu válců motoru a z úvah předem diskvalifikuje takřka dynamicky ideální, avšak nevhodně dlouhý řadový šestiválec. Proto se zde nouzově volí 35 kompromisní víceválcové uspořádání do V nebo se rovnou preferuje dynamickými vlastnostmi nejbližší a značnou přirozenou vyvážeností již ze své podstaty disponující, kratší i celkově jednodušší a lehčí standardní, výkonově ekvivalentní řadový čtyřválec. Avšak zde, právě u čtyřválců vyšších obsahů s relativně delšími klikami anebo většími posuvnými hmotami jejich nerovnoměrně se pohybujících úplných pístů a příslušných částí ojnic, vznikají vzhledem k sumárním 40 dynamickým účinkům reálné zbytkové nevyváženosti celého soustrojí již výrazné vibroakustické projevy, rostoucí s kvadrátem jeho otáček. Naléhavost potřeby jejich potlačení dokumentuje i skutečnost, že problém je markantní právě u nejdražších kategorií velkých automobilů vyšší třídy, kde náročnější zákazník právem očekává svůj jistý komfort. Běžně voleným postupem řešení pak zpravidla bývá částečná nebo úplná rezignace na ovlivnění samotných budicích vlast45 ností motoru, jako základního zdroje chvění, ovšem s následným zadáním, poté pracně a nákladně na voze čelit jeho mezitím plně se rozvinuvším dynamickým produktům. To zdůvodňuje známé aplikace různých pasivních, vibroakusticky tlumicích a absorbčních nebo izolačních materiálů či přídavných přelaďujících hmot, případně lokálních aktivních systémů v podobě monofrekvenčně nastavených dynamických tlumičů. Dotyčná dodatečná opatření ale nejen zvyšují cenu, 50 pracnost a jalově transportovanou hmotu vozu, ale jsou i citlivá na důsledky případných průběžných inovačních změn v rámci modelové péče i na diference v individuálním provedení produktu z důvodu obvyklé pestrosti zákazníkem volitelných výbav. Proto podstatně sofistikovanější přístup představuje prevenční strategie, zaměřená na likvidaci vlastních příčin chvění přímo u jejich zdroje, tedy nejlépe již v jejich prenatální fázi.

- 1 CZ 297752 B6

Takový technický postup ovšem předpokládá koncepční změny v samotném uspořádání soustrojí a nutné zásahy do základní konstrukce již při jeho návrhu. Účinnými prostředky pro vyvážení dominantních rušivých složek se v tomto směru ukázaly být více než 100 let známé přídavné párové, vzájemně protisměrně rotující pomocné Lanchesterovy vyvažovači hřídele s pevnou kinematickou vazbou svého náhonu. Ty disponují patřičně dimenzovanými a vystředěnými závažími, jejichž vhodně frekvenčně a fázově nastavené odstředivé síly pak ve vzájemné vektorové syntéze eliminují jednotlivé nežádoucí harmonické produkty zbytkové nevyváženosti stroje. Lanchesterovy hřídele jsou podle způsobu umístění svých vystředěných závaží podél délky motoru v principu schopné vyvážit jak rušivé zbytkové periodické posuvné síly, tak i střídavé podélné nebo příčné momenty konkrétního řádu harmonické v případech, že tyto vázané nebo volné vektory toliko pulzují, ale jinak si zachovávají svůj směr nebo naopak tento mění, ale zachovávají si svou velikost. Přestože je právě zmíněný Lanchesterův princip znám dlouho, jeho přednosti a zejména multifunkční potenciál ve vylepšeném provedení „twin-shaft“ se vzájemným převýšením vyvažovačích hřídelů, se díky striktně omezeným konstrukčním možnostem obvyklé párové koncepce přesto nemohly v plné míře uplatnit. To dokazuje i dále sledovaný příklad aktuálního běžného řádového čtyřválce, aplikovaného nejčastěji jako spalovací motor osobních automobilů.

Centrické klikové mechanismy tohoto soustrojí, kde rovina válců prochází osou symetrického klikového hřídele s klikami, vyosenými v jedné rovině, má díky svému příznivému konstrukčnímu uspořádání a za dostatečně rovnoměrných výstupních otáček, udržovaných setrvačníkem, již valnou většinu svých rušivých, klikovými mechanismy jednotlivých válců dynamicky generovaných budicích složek, sumárně vzájemně vyrušenou a přirozeně vyváženou. U takového soustrojí pak k relativní dokonalosti jeho vyvážení navenek a k uklidnění tohoto zdroje vibrací, působících do uložení motoru na žádoucí úroveň, zbývají fakticky toliko dva majoritní rušivé produkty, a to:

a) Dominantní harmonická součtová posuvná síla F druhého řádu jako zbytková setrvačná složka do přímočarého pohybu posuvných hmot m jednotlivých úplných pístů, ok a příslušných částí ojnic. Je to vektor, působící na skříň motoru 9 přes hlavní ložiska klikového hřídele 5, který je vázaný na nositelku v-v, jíž je průsečnice roviny válců a roviny podélné symetrie soustrojí v místě mezi druhým a třetím válcem, kolmé na osu klikového hřídele 5. Tato síla F pulzuje harmonicky s dvojnásobnou frekvencí vzhledem k otáčkám motoru.

b) Často neprávem opomíjený ale svým významem zdaleka ne zanedbatelný příčný klopný moment M_q druhého řádu, harmonicky proměnný a pulzující rovněž s dvojnásobnou frekvencí vůči otáčkám motoru, jenže s fázovým zpožděním 2α = π/2 vzhledem k rušivé síle F. Má vlastnost volného vektoru, rovnoběžného s osou klikového hřídele 5 a působícího direktně jako přídavná klopná reakční složka agregátu do uložení agregátu v jeho příčném směru.

V zájmu docílení pokroku vyšším technickým účinkem je tedy u sledovaného čtyřválcového řadového motoru žádoucí úplná ale i konstrukčně a realizačně schůdná simultánní likvidace obou těchto majoritních budicích složek F a M_q zbytkové dynamické nevyváženosti. Jak již bylo předesláno, v tomto ohledu historicky naznačily cestu řešení tradiční Lanchesterovy vyvažovači hřídele a jejich výškově přesazená modifikace typu „twin-shaft“. V jejich dosud používaných verzích v obligátní párové podobě je pak současný známý stav a dosavadní praxe této vyvažovači techniky následující:

Zatím nejjednodušší aktuální řešení zástavby monofunkčních Lanchesterových párových vyvažujících hřídelů pro řád druhé harmonické, je v posledním známém nejmodemějším provedení znázorněno na obr. 1. Zde jsou osy vyvažovačích hřídelů 1, 3, rotujících proti sobě s dvojnásobnou frekvencí otáček motoru znázorněny svými stopníky v nákresně a ve vyvažovači rovině, a to jako S u souběžně a jako P u protiběžně rotujícího pomocného hřídele s vystředěnými závažími. Tyto středy P a S rotace vyvažovačích hřídelů 1, 3 jsou zde vhodně situovány v dobře mazaném prostředí karteru bloku motoru 9, tedy pod klikovým hřídelem 5 a odlehle od hlavy motoru, ale vždy symetricky po obou stranách a ve stejné výšce roviny os válců, znázorněné v nákresně svou stopou v-v, kdy leží na vzájemné, vůči ní kolmé spojnici. Přitom jejich totožné ale opačně

- 2 CZ 297752 B6 orientované symetrické odlehlosti u od stopy roviny válců v-v mohu nabývat obecných hodnot, tedy i záporných, takže si takové pomocné hřídele v případě konstrukční potřeby mohou případně bez změny svého účinku i vyměnit své pozice. Jejich náhon je zde úsporně odvozen direktně od centrálního, zde klikového hřídele 5, na jehož vnější průměr jednoho protizávaží kliky druhého nebo třetího válce je nalisován úzký a tenký prstenec zvláštního věnce 13 s vnějším ozubením, pohánějícího s převodem (-1:2) pod klikovým hřídelem 5 situovaný protiběžný vyvažovači hřídel 3 prostřednictvím vnějšího záběru svého ozubeného kola 15. Takto poháněné kolo protiběžného vyvažovacího hřídele 3 má pak záměrně dvojnásobně rozšířené ozubení, které je pak svou zbývající axiálně přečnívající částí v záběru s dalším vnějším, podobně pod centrálním klikovým hřídelem 5 umístěným ozubeným kolem 15 adekvátně sfázovaného vyvažovacího hřídele 1 a opět s převodem (-1:1) obrací smysl jeho otáčení v souběžný s klikovým hřídelem 5. Excentrická protizávaží obou vyvažovačích hřídelů 1, 3 pak ve vyvažovači rovině, tedy v rovině podélné symetrie motoru mezi druhým a třetím válcem, vytvářejí svými odstředivými silami O_s, Op systém dvou stejně vydatných, ale proti sobě symetricky rotujících vektorů, jejichž momentální vektorový součet, dosahující vždy aktuální velikosti -F, eliminuje na stejné nositelce v-v tento dominantní produkt zbytkové nevyváženosti dotyčného soustrojí, tj. výslednou druhou harmonickou posuvnou sílu F. Kromě tohoto efektu je hlavní předností zmíněné konstrukce její kompaktnost, nedotčenost délky motoru a případná možnost dodatečné adaptace systému do karteru bloku motoru 9 u takto předem neplánovaných konstrukcí. Přesto jde o řešení toliko dílčí a z konstrukční nouze plně nevyužívající celého vyvažovacího potenciálu takového zařízení. To proto, že zcela ignoruje existenci výše zmíněného rušivého příčného momentu M_q. Zůstatková budicí momentová složka chvění M_q na úrovni druhé harmonické je ale velmi interesantní právě u obvyklých, příčně uložených a tříbodově ve voze zavěšených řadových čtyřválcových motorů, protože se uplatňuje direktně a naplno ve směru osy přenosově choulostivé momentové tažné vzpěry, zatímco touto standardní úpravou vyvažovaná posuvná síla F zde působí nepřímo a kolmo na směr zmíněné přenosové cesty, nebo se v ose takové vzpěry projevuje jen svou malou složkou pod velmi tupým úhlem z titulu obvyklého předklonu příčného hnacího agregátu v motorovém prostoru. Proto je diskutabilní, zda je jako generátor kmitů pro tuto vibračně kritickou přenosovou trasu přes reakční momentovou tažnou vzpěru u reálného a žádnými úpravami nedotčeného motoru vydatnější budicí síla F nebo nedoceňovaný příčný klopný moment M_q. Z toho důvodu je u řešení, usilujícího v této oblasti o znatelný přínos, simultánní způsob likvidace obou těchto složek vibrací řádu druhé harmonické nevyhnutelný. Jenže právě to výše popsané první známé a původní Lanchesterovo monofunkční dvouhřídelové schéma v naznačeném provedení podle obr. 1 nedokáže.

Proto dokonalejším způsobem úlohu řeší, ovšem za cenu podstatně komplikovanějšího náhonu vyvažovačích hřídelů, jiné podobné, pod pojmem „twin-shaft systém“ známé, opět dvouhřídelové provedení se vzájemným orientovaným převýšením H vyvažovačích hřídelů 1, 3. Jeho předností je právě teoretická schopnost simultánní likvidace jak posuvné rušivé síly F, tak i příčného rušivého momentu M_q. Takovou konstrukci přibližuje obr. 2, reprezentující druhý známý způsob uspořádání pomocných vyvažovačích hřídelů u řadového čtyřválce. Signifikantním rozdílem vůči prvnímu známému dvouhřídelovému typuje zde tedy zmíněné vzájemné převýšení H středů S, P obou vyvažovačích hřídelů 1, 3 ve směru os válců, měřené podél stopy v-v, které zde vytváří účinné rameno pro vyvažovači silovou dvojici +F/-F. Jeho exaktně ideální velikost, určená obecně požadavkem H = 2.M_q _max/F_max pak po dosažení do dále uvedených vztahů, a pro běžný zvolený klikový poměr λ = 0,3 vychází v relaci H = 0,978.1, tedy přibližně stejně jako je délka ojnice I. Takovou podmínku optimálního multifunkčního vyvážení však podle existujících odborných pramenů není snadné v tradiční dvouhřídelové verzi jednoduše zástavbově splnit. Dvojice vyvažovačích hřídelů totiž v takovém případě musí z kolizních a konstrukčních důvodů opustit výhodné mazané místo v karteru bloku motoru 9 a je situována vně a vysoko, nejlépe vedle pláště válců. Pak by ovšem při dodržení zásady příčně symetrie polohy libovolným rozměrem u a při docílení exaktně potřebné velikosti převýšení H středů S a P obou vyvažovačích hřídelů ve směru os válců v podstatě kdekoliv, vznikla neobyčejně rozložitá forma motoru, nevhodná pro disponibilní zástavbový prostor ve voze. Obr. 2 vysvětluje, že je to příčinou velmi

- 3 CZ 297752 B6 košaté a rozměrné sestavy takto koncipovaného motoru, nepříznivé jak pro příčné umístění hnacího agregátu, tak i pro jeho montáž do zespodu z důvodu omezeného místa, nehledě na nutné zachování místní provozní vůle pro bezkolizní dynamický výkyv celého měkce uloženého hnacího agregátu vpřed a vzad. Účinná dvouhřídelová převýšená „twin-shaft“ koncepce nedovoluje ani použití žádoucího kompaktního, mazaného a krytého náhonu systému pod utěsněným čelním víkem motoru. V úvahu tak zde přichází jedině vnější kinematický bezprokluzový suchý řemenový převod s hnací ozubenou řemenicí 16 centrálního hřídele 5, hnanými ozubenými řemenicemi 17 vyvažovačích hřídelů 1, 3 s obíhací ozubenou kladkou 18 a s oboustranně příčně ozubeným řemenem 12, který je velmi speciální, navíc hlučný, náchylný na přeskok zubů, postrádá uspokojivou životnost a prodlužuje soustrojí. Přitom je třeba uvážit, že moderní motor musí prostorově zvládnout pohony ještě řady dalších běžných pomocných agregátů, jako jsou například alternátor, vývěva, kompresor a vodní čerpadlo, včetně nutného místa na své hlavě pro rozvod, sací, výfukový a vstřikovací systém, takže přidání ještě dalšího vnějšího náhonového systému již ani nebývá vůbec možné.

Jinak je ale takto koncipovaný dvouhřídelový systém funkčně velmi efektivní a je prokazatelně potenciálně schopen, byť z konstrukční nouze zpravidla neúplně, najednou vyvážit obě rušivé složky druhé harmonické, tedy F i M_q. Publikovaná porovnávací měření renomovaných firem prokázala, že takto vybavený řadový čtyřválec dokáže i v ne zcela optimální verzi kultivaností svého chodu v provozu přinejmenším úspěšně konkurovat i svému vytčenému vzoru, totiž nijak neupravenému řadovému šestiválci. Zásluhu na takovém dojmu má jistě i rovinný charakter jeho symetrického klikového hřídele, který u řadového čtyřválce přirozeně likviduje vliv případných zbytkových momentů setrvačnosti jeho ojnic, generujících jinak třetí harmonickou složku chvění motoru.

Avšak ani toto druhé známé řešení není přes svou nespornou technickou úroveň pro své komplikace bezproblémové.

Situaci valně neřeší ani složitější známé a drobně vylepšené variace kombinovaných provedení náhonů vzájemně převýšené dvojice vyvažovačích hřídelů, kde je choulostivý oboustranně ozubený řemen 12 pro pohon vyvažovacího hřídele 1 nahrazen jen životnějším, jednostranně příčně ozubeným řemenem za cenu připojení ještě další dvojice ozubených kol 15, obracející s direktním převodem (-1:1) směr otáčení pro opozitně rotující vyvažovači hřídel 3.

Toliko neúplného vyvažovacího účinku dosahuje i další realizované a neoptimální řešení náhonu dvojice vyvažovačích hřídelů oboustranně k válcům mimo karter bloku motoru 9 přimknutých a též vzájemně převýšených vyvažovačích hřídelů 1, 3 které jako nutnou daň za možnost použití řetězového převodu musí redukovat jejich převýšení H na toliko konstrukčně schůdnou poloviční hodnotu proti ideální.

Celkově shrnuto, dosud známá provedení Lanchesterovy koncepce na dvouhřídelové bázi tedy buď disponují akceptovatelnou nebo kompromisní zástavbou, umožňující montážně schopný příčný tvar motoru, ale zato zcela nebo z valné části postrádají požadovanou multifunkční vyvažovači schopnost a tím nevyhovují zadání, nebo této vlastnosti v provedení „twin-shaft“ se vzájemným převýšením obou vyvažovačích hřídelů takřka dosahují, avšak jen za cenu speciální a montážně neschůdné zástavby, košatě deformující celek motoru do šířky, nehledě na další konstrukční a hluková úskalí a životnostní problémy suchého pomocného náhonu takového vyvažovacího systému, jakým je například nutný ale problematický příčně a většinou i oboustranně ozubený suchý řemen.

V každém případě jsou podle zasvěcené literatury konstrukční možnosti stávající dvouhřídelové koncepce vyvažovačích hřídelů prakticky jen omezené a neumožňují žádoucí optimální multifunkční využití svého celého potenciálu.

- 4 CZ 297752 B6

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky a konstrukčně vynucená omezení potenciálu těchto známých provedení řeší nebo do značné míry odstraňuje multifunkční vyvažovači systém podle vynálezu, obsahující trojici selektivně menších vzájemně rovnoběžných vyvažovačích hřídelů. Ty pak díky uvolnění řady svých volitelných konstrukčních parametrů proti výše popsaným známým provedením dosažení vytčeného cíle schůdně umožňují. Řešení je založeno na rozšířeném modelu jinak známé vektorové syntézy účinků jejich, s výhodou nestejně dimenzovaných excentrických vyvažovačích prvků totožného, druhého řádu harmonické. Ty v příslušné rovině reprezentují fázově a kinematicky převodovým systémem pevně spřažené, vzájemně selektivně protiběžně nebo souběžně a identickými úhlovými rychlostmi (2,ω) a (-2.ω) rotující vektory, produkované třemi vyvažovacími hřídeli 1, 2, 3, uloženými v ložiskách bloku motoru 9. Jejich zdrojem jsou výhodně vzájemně odlišné odstředivé síly O_b O₂, O₃, generované ve vyvažovači rovině symetrie motoru mezi druhým a třetím válcem účinky příslušných, ze svých středů rotací S_b S₂ a P o excentricity Ri, R₂, R₃ vyosených vyvažovačích závaží s hmotnostmi m_b m₂, m₃. Princip dosažení výsledného efektu celého multifunkčního vyvažovacího systému je patrný z obr. 3, který znázorňuje vektorovou syntézu momentálních silových produktů daného řádu, působících na relevantní těleso bloku motoru 9 ve zvoleném zastaveném okamžiku, zde orientačně v konstalaci při úhlu pootočení kliky prvního válce přibližně a ® 120° a tomu odpovídající konfiguraci členů centrálního klikového hřídele 5 sledovaného řadového čtyřválce včetně poloh vývažků. Zde je vyvažovači hřídel 3 s vývažkem o hmotnosti m₃ a s vystředěním R₃ zvolen jako jediný protisměrně rotující a jeho osa se svým průsečíkem P v nákresně se tak stává jediným výlučným působištěm opozitně otáčivého vyvažovacího vektoru. Zbývající, vzájemně ve stejné úhlové fázi nastavené vyvažovači hřídele 1, 2 svývažky o hmotnostech m_b m₂ a svyoseními R_1? R₂ a se stopníky S_b S₂ svých os rotace v nákresně pak reprezentují dvakrát rychleji a souběžně s centrálním hřídelem 5 rotující vektorový systém. Silové účinky odstředivých sil O_b O₂ obou souběžných vyvažovačích hřídelů 1,2 se vzájemnou osovou vzdáleností o velikosti (a + b) se pak v každém okamžiku i v každé poloze skládají v jediný součtový, stejně snimi souběžný a ve stejné fázi s nimi rotující výsledný vektor (Oj + O₂), ležící mezi nositelkami sil O_b O₂ a dělicí tak jejich momentální vzdálenost v reciprokém poměru jejich velikostí, tedy v relaci a:b. Protože se tento poměr bez ohledu na momentální velikost úhlu pootočení první kliky a stále zachovává a protože i stopníky S_b S₂, umístěné po obou stranách roviny válců, jsou na motoru pevnými body, znamená to, že též výsledný vektor (O| + O₂) se v nákresně otáčí kolem jednoho stálého pevného, avšak jen imaginárního nehmotného působiště. Tento stopník S pomyslné osy rotace výslednice vektorů souběžného systému tedy dělí rovinnou vzdálenost mezi stopníky S_b S₂ v nákresně na úseky a a b a to v reciprokém poměru velikosti jejich statických vývažků mi.R_b m₂.R₂, s velikostmi, určenými podle vztahů ve zde použitých označeních. Stopník S zde tedy má zároveň i charakter těžiště hmotných bodů S_b S₂ s váhami, úměrnými velikostem jim příslušných statických výtěžků m_bR] a m₂.R₂ vyvažovačích hřídelů 1, 2.

Dále pak již pro konstrukční určení poloh stopníků S a P platí všechna další dosavadní pravidla zástavby, jako u vyvažovačích systémů typu „twin-shaft“. Tedy jak jejich symetrická odlehlost u od stopy v-v roviny válců, zpravidla předurčená volbou polohy středu P opozitně rotujícího hřídele 3, tak i jejich vzájemná ničím neomezovaná distance H ve směru stopy v-v, dosahující přibližně až délky I ojnice 10, musí být současně v zájmu kvality výsledku vyvážení respektovány.

Stejně tak i zde platí pravidlo ekvivalence účinku zrcadlových konstrukcí vzhledem křovině válců a stopě v-v.

Předložený multifunkční vyvažovači systém s vyvažovacími hřídeli 1, 2, 3 tedy vytváří tři vzájemně adekvátně sfázované a ve vyvažovači rovině kolem svých středů S_b S₂, P selektivně protisměrně a sousměmě rotující odstředivé síly o součtové velikosti O₃ + Oj + O₂ = F_max = 4.Κ_π.ιτι.Γ.ω², což po dosažení v intencích výše uvedených pravidel znamená požadavek m3.R3.(-2.ro)² + mbR_b(2.m)² + m₂.R₂.(2.ro)² = 4.Kn.m.r.ro².

- 5 CZ 297752 B6

Za předpokladu vyvažování druhé harmonické pak získáme základní podmínku pro součtovou volbu vývažků trojice vyvažovačích hřídelů v podobě m₃.R₃ + mj.Ri + m₂.R₂ = Kn.m.r .

Vzhledem k zmíněné nutnosti symetrie umístění výsledných vektorů vůči k rovině válců a k nositelce v-v budiče F, znázorněné stejnou ale opačnou odlehlostí u výsledný os protisměrných rotací obou vyvažovačích systémů, reprezentovaných v nákresně stopníky S a P, se tato skutečnost promítá i v matematických podmínkách. Potom separátně a symetricky platí πη. Ri + m₂.R₂ = Kn,m.r /2a zároveň i m₃.R₃ = K_n.m.r / 2, takže dimenzně pro volbu vývažků systému vycházejí vztahy m₃.R₃ = + m₂.R₂ = Kn.m.r / 2, značně uvolňující původní svazující okrajové podmínky pro konstrukční volbu umístění klasických párových Lanchesterových hřídelů.

Tyto matematické relace pak implikují výsledný charakteristický geometrický požadavek a znak, aby těžiště T středů rotace všech statických vývažků celého multifunkčního vyvažovacího systému, tj. všech průsečíků os otáčení použitých vyvažovačích hřídelů 1, 2, 3 s vyvažovači rovinou, jako hmotných bodů S|, S₂, P s váhou jim příslušejících, a kolem nich rotujících statických vývažků mpR], m₂.R₂ a m₃.R₃ leželo v rovině os válců, tedy na její stopě v-v ve vyvažovači rovině a zároveň zde přitom i půlilo vzdálenost bodů S a P. Takto definované těžiště T tříhřídelového vyvažovacího systému se přitom musí ještě navíc nacházet právě v poloviční výšce H/2 zadaného převýšení H nad osou sólově rotujícího vyvažovacího hřídele 3 ve směru osy válců k hlavě motoru. Příznakem uvolnění okrajových konstrukčních podmínek pro volbu hnacího schéma je skutečnost, že stopníky Si, S₂ os souběžně rotujících vyvažovačích hřídelů 1, 2 o osové vzdálenosti (a+b), se pak mohou s výhodou nacházet po obou stranách stopy v-v roviny válců a ani jejich odlehlosti od ní nejsou jako povinně symetrické určeny, přičemž se každopádně liší od zvolené vzdálenosti u stopníku P. To vyhovuje konstrukčnímu záměru co nejtěsnějšího možného obestavění disponibilní kontury vyvažovaného soustrojí pomocnými vyvažovacími hřídeli zvenku a tím i kompaktnosti zástavby jeho celku. Samotná vícenásobná vyvažovači funkce popsaného tříhřídelového systému je pak podle obr. 3 při uklidnění druhého řádu harmonické u vibracemi buzeného bloku motoru 9 následující:

Paralelně spolupracující, souběžně s centrálním klikovým hřídelem 5, avšak dvakrát rychleji rotující odstředivé síly O_b O₂ vyvažovačích hřídelů 1 a 2, uložených ve svých ložiskách v bloku motoru 9 vytvářejí v každém okamžiku svou syntézou ve vyvažovači rovině výsledný konstantní vektor (O! + O₂), otáčející se stejným způsobem co do směru, rychlostí i fázového úhlu rotace kolem nehmotné imaginární osy ve svém působišti a zároveň i v nákresně kolem jejího stopníku S. Právě imaginární charakter této pomyslné osy rotace výsledného sousměmého vektoru (Oi + O₂) zakládá hledanou možnost, aby tato mohla procházet i hmotami potenciálně kolizních součástí motoru a otevírá tak možnosti dalších nových konstrukčních kreací. Naproti tomu protiběžně, avšak fázově i frekvenčně opět dvakrát rychleji rotující a také v bloku motoru 9 točně uložený opozitní vyvažovači hřídel 3 vytváří sám ve stejné vyvažovači rovině odstředivou sílu O₃. Uvedené síly O_b O₂ a O₃ se pak zde v daném okamžiku ve vzájemném a místně proměnném momentálním průsečíku J vektorově sčítají. A to tak, že ve směru stopy v-v roviny válců právě sumárně vytvářejí sílu -F, vyloženou díky převýšení H ve vhodném směru od nositelky v-v síly +F o momentální vzdálenost x. Tento produkt -F silových účinků trojice vyvažovačích hřídelů pak v každém okamžiku nejen silově vyrovnává rušivou sílu +F, přenášenou jinak přes ložiska centrálního klikového hřídele 5 do bloku motoru 9 a do jeho uložení, ale navíc ještě spolu s ní na principu silové dvojice +F/—F a na rameni x zcela likviduje i fázově posunutý příčný rušivý moment M_q stejného řádu harmonické, který by jinak vibračně klopil blok 9 do jeho pružného uložení v karoserii v příčném směru.

Výhody řešení podle vynálezu

Ačkoliv se tříhřídelový vyvažovači systém může podle svého přívlastku jevit proti běžnému dvouhřídelovému komplikovanějším a zdánlivě díly jen přidávajícím, není tomu tak. Nabízí totiž

- 6 CZ 297752 B6 vedle optima vyvažovacího účinku i řádu konstrukčních předností a zjednodušení. Tříhřídelová koncepce proti známým dvouhřídelovým „twin-shafit“ řešením zachovává nebo dokonce spoří počet potřebných rozváděčích kol náhonu vyvažovačích hřídelů, a to navzdory zvětšení jejich počtu ze dvou na tři. Potom praktický konstrukční rozdíl mezi nejúspomějším známým dvouhřídelovým a tříhřídelovým systémem podle vynálezu spočívá jen v protažení původního nevyužitého krátkého hřídele, u dvouhřídelové verze nutného pro neaktivní obíhací rozvodové kolo, v třetí pomocný vyvažovači hřídel až do vyvažovači roviny stroje. U tříhřídelového provedení jsou jak systém sám, tak i vyvažovači hřídele navíc dimenzně zeštíhleny a výhodně přeskupeny převážně do karteru stroje s co největším přimknutím k vyvažovanému mechanismu, takže jsou zástavbově úsporné. Řetězový náhon, schopný vnějšího i vnitřního záběru řetězu a jeho úplně mazaný převodový systém, integrovaný dovnitř motoru pod jeho přední víko, pak na rozdíl od srovnávaných předchůdců již nevyžaduje, kromě jiných výhod, žádné zvláštní obíhací kolo navíc. Kromě toho je tu možnost ingregace náhonu olejového čerpadla, případně i vodní pumpy nebo alternátoru do systému tohoto převodu.

Technologicky podstatnou výhodou je též skutečnost, že vyvážky mpR], ITI2.R2 párově rotujících synchronních vyvažovačích hřídelů 1, 2 jsou proti systému „twin-shafit“, kde m^Ri = m₃.R₃, dimenzně rozdělené podle vztahu m^R, + m₂.R2 = m₃.R₃, což zde dává možnost použít technologicky progresivních, jednoduchých a štíhlých vyvažovačích hřídelů 1, 2 přes celou délku motoru na bázi trubkových provedení malých průměrů s prizmatickým profilem a s excentricky vyosenou vnitřní konturou.

Hlavní předností tříhřídelové konstrukce podle vynálezu je její variabilita, kompaktnost, zástavbová flexibilita a okrajovými podmínkami menší konstrukční svázanost, což garantuje docílení takových zástavbově a montážně vhodných vnějších kontur motoru i agregátů, včetně alternativ, které jsou u dvouhřídelových provedení nemožné. A to při schůdné dosažitelnosti nej lepšího možného efektu se zárukou úplného vyvážení posuvných hmot řadového čtyřválcového motoru až do dominantního řádu druhé harmonické včetně, jímž tento v provozním režimu, vysokých otáčkách a nízkých frekvencích dokáže při zástavbově, hmotnostní a cenové úspoře svou vibrační kulturou úspěšně konkurovat i vlastnímu vytčenému vzoru, totiž výkonově ekvivalentnímu řadovému šestiválci.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je blíže vysvětlen pomocí připojených vyobrazení, kde obr. 1 v čelní projekci schematicky znázorňuje první známou standardní konstrukci dvouhřídelového vyvažovacího systému čtyřválcového řádového klidového soustrojí s posuvnými písty pomocí obligátních monofunkčních Lanchesterových vyvažovačích hřídelů.

Obr. 2 popisuje stejným způsobem podobně známý a rovněž dvouhřídelový ale zato již multifunkční systém, jako druhý, nejvýše dosažený stav vyvažovači techniky, označovaný jako „twinshafit systém“.

Obr. 3 vysvětluje pomocí silového vektorového schématu princip a funkci multifunkčního vyvažování zbytkových dynamických produktů druhé harmonického pístového soustrojí třemi vyvažovacími hřídeli podle vynálezu a je přiblížen způsobem, jak na základě syntézy jejich vektorových účinků v každém obecném okamžiku vzniká celkový teoreticky ideální vyvažovači efekt.

Obr. 4 pak v čelním pohledu zachycuje další schéma možného pohonu trojice vyvažovačích hřídelů od klikového hřídele jednořadým válečkovým nebo pouzdrovým řetězem, současně využitým i pro náhon olejového čerpadla, případně variantně a vjiné filozofii způsobu opásání řetězových kol i bez něj, jak znázorňuje obr. 5.

- 7 CZ 297752 B6

Na obr. 6 je ukázána konstrukční možnost pohonu trojice vyvažovačích hřídelů od klikového hřídele motoru pomocí ozubených kol v kombinaci s řetězovým převodem, jak je také ještě v další podobné verzi zachyceno i na dalším obr. 7.

Příklady provedení vynálezu

Příklady nových konkrétních tříhřídelových konstrukčních provedení podle vynálezu jsou v několika variantách možných schémat náhonu vyvažovačích hřídelů 2, 3 od klikového hřídele 5 znázorněny na obrázcích obr. 4, obr. 5, obr. 6 a obr. 7.

První uvedené konstrukční uspořádání zachycuje na obr. 4 přední pohled a částečný příčný řez osou prvního válce 6 s pístem 7, načepovaným v oku se středem A ojnice 10 o délce I, která je svým druhým koncem uložena na ojničním čepu se středem G, vykoseném o poloměr kliky r vůči středu Q průmětu osy klikového hřídele 5 do nákresny. Klika prvního válce je momentálně pootočena ze své základní polohy v horní úvrati pístu 7 o úhel a, ale jinak se otáčí pravotočivě, tj. ve směru pohybu hodinových ručiček úhlovou rychlostí ω. Dvojnásobnou úhlovou rychlostí 2ω v obou možných směrech se pak podle způsobu opásání svých řetězových kol 14 válečkovým nebo pouzdrovým řetězem 11 otáčejí vyvažovači hřídel J_, 2 a 3, poháněné od centrálního řetězového kola 4 klikového hřídele 5 s příslušnými kinematicky pevnými převody 1:2 a (-1:2). Tato varianta náhonu vyvažovačích hřídelů jednořadým řetězovým převodem současně obsahuje i pohon olejového čerpadla 8. Je zřejmé, že taková konstrukce může potenciálně snadno a s výhodou zajistit i technologickou dělicí rovinu w-w integrovaného spodního víka hlavních ložisek klikového hřídele 5 pro moderní koncepci motoru typu „bed plate“ a respektuje vhodnost umístění řetězového převodu převážně do karteru bloku motoru 9.

Druhou variantní možnost systému pohonu stejných vyvažovačích hřídelů 1, 2 a 3 řetězem 11 a řetězovým kolem 4, jenž tentokrát bez mazacího čerpadla 8 představuje obr. 5. Schéma pohonu je zde zvláštní tím, že každý článek řetězu 11 při jednom svém oběhu zabírá s hnacím řetězovým kolem 4 dvakrát. Návrh takového řetězového převodu s dvojím záběrem řetězu a na hnacího řetězového kola 4 během jednoho svého oběhu může být u delších řetězů problematický vzhledem k jejich protahování s provozem. V takovém případě lze hnací řetězové kolo 4 koncipovat jako dvouřadé se zákrytem ozubení v osové projekci a pohon rozdělit na dva nezávislé a axiálně přesazené řetězové okruhy, které jednou tvoří klikový hřídel 5 s řetězovým kolem 4 spolu s vyvažovacím hřídelem 1 a jeho řetězovým kolem 14 a druhé nezávislý, axiálně přesazený převod klikového hřídele 5 s řetězovým kolem 4 a zbývajícími vyvažovacími hřídeli 3, 2 včetně jejich řetězových kol 14. Je zřejmé, že takto navržené separátní řetězové okruhy lze případně jindy zase sloučit v jediný.

Třetí možnou, kombinovanou konstrukční variantu náhonu vyvažovačích hřídelů 1, 2 a 3 představuje obr. 6. Zde je ukázána možnost adaptace a případné tříhřídelové dostavby současného užívaného a známého monofunkčního vyvažovacího dvouhřídelového Lanchesterova systému podle obr. 1 s poslední vyvinutou technologií na technicky ještě vyšší úroveň tj. na požadované multifunkční schéma. Pro pohon protisměrně rotujícího vnitřního vyvažovacího hřídele 3 je proto použito upraveného derivátu vpředu popsané známé konstrukce s hnacím ozubeným věncem 13 na klidovém hřídeli 5 a upravena je i poloha a dimenze taktéž známým způsobem ozubenými koly 15 poháněného a sousměmě rotujícího vyvažovacího hřídele 2. Navíc zde jen přibývá třetí vyvažovači hřídel 1, hnaný zvláštním řetězovým převodem s řetězovými koly 4, 14 a jednořadým řetězem 11 na čele motoru. V případě potřeby lze i zde do tohoto řetězového převodu ještě včlenit náhon olejového mazacího čerpadla 8 podle příkladu na obr. 4.

Čtvrtou uvedenou aktuální alternativu provedení náhonu trojice vyvažovačích hřídelů 1, 2 a 3 přibližuje obr. 7. Zde jsou všechny souběžné hřídele 1, 2 a 5 s hnacím řetězovým kolem 4 a dvojicí hnaných řetězových kol 14 připojeny dvakrát poháněným válečkovým nebo pouzdrovým řetězem 11, podle druhé varianty, přičemž protisměrně rotující vyvažovači hřídel 3 je hnán

- 8 CZ 297752 B6 opozitně až do hřídele 2 prostřednictvím dvojice ozubených kol 15 s převodem (-1:1). Toto demonstrační tříhřídelové hnací schéma připomíná jedno známé kombinované dvouhřídelové provedení typu „twin-shaft“ sjednostranně ozubeným suchým řemenem a ozubenými koly, avšak s tím rozdílem, že zde se uspoří jedno kolo rozvodu a suchý řemen je výhodně nahrazen vhodnějším kompaktním a mazaným řetězovým převodem.

Dále jsou dobře představitelné a realizovatelné ještě další, zde neuvedené kombinace pohonů trojice vyvažovačích hřídelů.

Je třeba dodat, že principiálně stejně fungující jsou i případná schémata se zrcadlovými konfiguracemi poloh vyvažovačích hřídelů 1, 2 a 3 kolem průsečnice v-v vzhledem k zde uvedeným a to při zachování stejného pravotočivého smyslu otáčení kliky 5 stroje a stejně pak i při jeho obrácení.

Společnou vlastností uvedených řešení je toliko schematické znázornění jejich vesměs řetězových náhonů, bez dalších, případně nutných doplňujících dílů, jako jsou obvyklé kluzáky nebo napínací palce z vnější strany na dlouhých větvích.

Průmyslová využitelnost

Konstrukce podle vynálezu je aktuální zejména pro vyvážení zástavbově omezených mobilních čtyřválcových řadových výkonných motorů větších objemů s markantními projevy svých přirozených zbytkových rušivých dynamických účinků. V úvahu přicházejí zejména čtyřválcové řadové motory od kubatury řádově 2 litry, uložené tříbodově a napříč s reakční momentovou vzpěrou, kotvenou do nápravnice, používané u luxusnějších osobních vozů vyšších tříd s předním pohonem.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Multifunkční vyvažovači systém, jako pomocné zařízení stroje s centrálním hřídelem (5), buzeného účinky zbytkové nevyváženosti některého svého periodicky, avšak nerovnoměrně se pohybujícího hmotového členu, určený pro simultánní likvidaci jeho několika rušivých produktů na úrovni druhého řádu harmonické tak, že alespoň jeden z nich je rušivá posuvná síla (F“), vyznačený tím, že je tvořen soustavou tří vzájemně rovnoběžných vyvažovačích hřídelů (1, 2 a 3), kinematicky pevně a bezprokluzově svázaných s centrálním hřídelem (5) o úhlové rychlosti (ω), otáčejících se stejnými konstantními úhlovými rychlostmi (2.ω) a (-2.ω), a to jednak v páru ve stejné úhlové fázi, jako s centrálním hřídelem (5) souběžné a po obou stranách stopy (v-v) roviny válců umístěné hřídele (1 a 2) a jednak sólově a opozitně jako vůči nim protiběžný vyvažovači hřídel (3), opatřených ve vyvažovači rovině stroje působícími rotujícími statickými vývažky (m_bR]), (m₂.R2) a (m₃.R₃), umístěnými vně mechanismu vyvažovaného stroje tak, že průsečíky (S_b S₂ a P) jejich os rotace s vyvažovači rovinou tvoří hmotné vrcholy vláknového trojúhelníku (ASjS₂P), jejichž společné statické těžiště (T), vážené velikostmi jim příslušných statických vývažků (m_bRi), (m₂.R₂) a (m₃.R₃), leží na nositelce (v-v) rušivé síly (F“) a půlí přitom vzdálenost mezi středem otáčení (P) sólově a opozitně rotujícího vyvažovacího hřídele (3) a párovým těžištěm (S) stejně vážených středů otáčení (S_b S₂) souběžně rotujících pomocných vyvažovačích hřídelů (1,2).
2. Multifunkční vyvažovači systém podle nároku 1, vyznačený tím, že oba souběžné vyvažovači hřídele (1, 2) jsou na vyvažovaném stroji umístěny tak, aby párové těžiště (S) jejich středů otáčení (S_b S₂) s váhou jim příslušných statických vývažků (m_bRi), (m₂.R₂) leželo uvnitř

- 9 CZ 297752 B6 plochy, vymezené kolmým průmětem obálky pohybujících se částí vyvažovaného stroje do vyvažovači roviny.
3. Multifunkční vyvažovači systém podle nároků 1 a 2, vyznačený tím, že jeho pohon 5 od centrálního hřídele (5) je proveden pomocí dvouřadého hnacího řetězového kola (4) a dvěma samostatnými jednořadými, axiálně přesazenými řetězovými okruhy se systémy hnaných řetězových kol (14).
4. Multifunkční vyvažovači systém podle nároku 1, 2 nebo 3, vyznačený tím, že io alespoň do jednoho okruhu jeho pohonného řetězového systému je zařazen náhon mazacího čerpadla (8) vyvažovaného stroje.
5. Multifunkční vyvažovači systém podle nároku 1, 2 nebo 4, vyznačený tím, že hnací jednořadé řetězové kolo (4) centrálního hřídele (5) přichází do záběru s vnitřní stranou

15 každého článku jednořadého článkového řetězu (11) během jeho jednoho úplného oběhu na stejné místo vícekrát než jednou.