RU2011061C1

RU2011061C1 - Balancing mechanism for piston machine

Info

Publication number: RU2011061C1
Authority: RU
Inventors: Иосиф Антонович Курзель
Original assignee: Иосиф Антонович Курзель
Priority date: 1990-04-19
Filing date: 1990-04-19
Publication date: 1994-04-15

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: mechanism has a disk fitted on the second shaft whose speed of rotation is less by half than speed of rotation of a crankshaft. The disk is provided with mutually perpendicular guides wherein counterweights are received. The counterweights engage with an inner profiled surface of a stator made of a heart-shaped curve. Four points of a curve which is equidistant to the heart-shaped curve are arranged in periphery direction in series and an angular distance between them is equal to 90. The points are located at the same distance from the center of the stator which is coincident with axis of the disk. One part of the heart- shaped curve is located out of the periphery and the other one inside the periphery. When the disk rotates, common center of masses of the counterweights reciprocates with a frequency which is grater than the speed of rotation of the disk by factor 4 and is twice speed of rotation of the crankshaft. EFFECT: expanded functional capabilities. 5 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к уравновешиванию машин, а более точно к механизмам уравновешивания сил инерции и моментов сил инерции в машинах, и может быть использовано для уменьшения колебаний поршневых машин, преимущественно двигателей внутреннего сгорания, с шатунно-кривошипными механизмами преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатых валов. The invention relates to balancing machines, and more specifically to mechanisms for balancing inertia forces and moments of inertia forces in machines, and can be used to reduce the oscillations of piston machines, mainly internal combustion engines, with crank mechanisms for converting reciprocating pistons into rotational motion crankshafts.

В поршневых машинах с шатунно-кривошипными механизмами преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатых валов, в частности в двигателях внутреннего сгорания, при работе возникают силы инерции, а в ряде машин - и моменты сил инерции. Если эти силы и моменты не уравновешены, то они вызывают колебания, которые отрицательно влияют как на саму машину, так и на объекты, на которых установлены такие машины, например, на транспортные средства с поршневыми двигателями внутреннего сгорания. При этом особенно сложным является уравновешивание сил инерции и моментов сил инерции второго и высших порядков. In piston machines with connecting rod and crank mechanisms for converting the reciprocating motion of the pistons into rotational motion of the crankshafts, in particular in internal combustion engines, inertia forces arise during operation, and in a number of machines moments of inertia forces arise. If these forces and moments are not balanced, then they cause oscillations that adversely affect both the machine itself and the objects on which such machines are installed, for example, vehicles with reciprocating internal combustion engines. In this case, balancing the forces of inertia and the moments of inertia forces of the second and higher orders is especially difficult.

Известны механизмы уравновешивания сил инерции второго порядка в поршневых машинах, преимущественно двигателях внутреннего сгорания, с шатунно-кривошипным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала, содержащее противовесы, закрепленные на двух дополнительных уравновешивающих валах, связанных с коленчатым валом посредством механической передачи и приводимых во встречное вращение с частотой, вдвое большей чем частота вращения коленчатого вала [1] . Known mechanisms for balancing second-order inertia forces in reciprocating engines, mainly internal combustion engines, with a crank mechanism for converting reciprocating pistons into rotational motion of the crankshaft, containing counterweights, are mounted on two additional balancing shafts connected to the crankshaft by mechanical transmission and driven in counter rotation with a frequency twice that of the crankshaft rotation [1].

Такие механизмы значительно усложняют поршневые машины и вызывают ряд проблем, связанных с приводом дополнительных уравновешивающих валов, размещением указанных валов и противовесов на поршневой машине, обеспечением работоспособности подшипников, воспринимающих нагрузки, создаваемые противовесами на уравновешивающие валы, приводимые во вращение с частотой, вдвое большей чем частота вращения коленчатого вала. Кроме того, такие механизмы не обеспечивают полного уравновешивания поршневых машин с учетом высоких порядков гармонических составляющих сил инерции (выше второго порядка). Such mechanisms significantly complicate piston machines and cause a number of problems associated with driving additional balancing shafts, placing said shafts and counterweights on a piston machine, ensuring the operability of bearings absorbing loads created by counterweights on balancing shafts, driven in rotation with a frequency twice as high as frequency crankshaft rotation. In addition, such mechanisms do not provide complete balancing of piston machines taking into account the high orders of harmonic components of inertia forces (above the second order).

Известны также механизмы уравновешивания поршневых машин, преимущественно двигателей внутреннего сгорания, с шатунно-кривошипным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала и кулачковым валом механизма привода клапанов системы газораспределения, приводимым во вращение с частотой, вдвое меньшей частоты вращения коленчатого вала, содержащие один или более противовесов, каждый из которых выполнен в виде удлиненного элемента с роликовыми толкателями на противоположных концах, установлен между коленчатым валом и кулачковым валом в прямолинейной направляющей картера поршневой машины и совершает возвратно-поступательное движение под действием кулачков, закрепленных на коленчатом валу и на кулачковом валу. Кулачок, закрепленный на коленчатом валу, имеет два выступа и обеспечивает перемещение противовеса в одном направлении, а кулачок, закрепленный на кулачковом валу, имеет четыре выступа и обеспечивает перемещение противовеса в другом направлении. Такой механизм может уравновешивать силы инерции и моменты сил инерции не только второго, но и высших порядков за счет соответствующего профилирования кулачков. Механизм не требует использования дополнительных валов сверх тех валов, которые имеет поршневая машина [2] . There are also known mechanisms for balancing piston machines, mainly internal combustion engines, with a connecting rod and crank mechanism for converting reciprocating pistons into rotational motion of the crankshaft and a cam shaft of the valve timing mechanism of the gas distribution system, driven into rotation with a frequency twice that of the crankshaft, containing one or more counterweights, each of which is made in the form of an elongated element with roller pushers on the opposite at the ends, it is installed between the crankshaft and the camshaft in the straight guide of the crankcase of the piston machine and makes a reciprocating motion under the action of the cams fixed on the crankshaft and on the camshaft. The cam mounted on the crankshaft has two protrusions and allows the counterweight to move in one direction, while the cam mounted on the cam shaft has four protrusions and allows the counterweight to move in the other direction. Such a mechanism can balance inertia forces and moments of inertia forces of not only the second, but also higher orders due to the corresponding profiling of the cams. The mechanism does not require the use of additional shafts over those shafts that the piston machine has [2].

Однако, для безударного взаимодействия кулачков и толкателей в этом механизме необходимо выдерживать повышенную точность изготовления элементов и взаимного расположения валов, превышающую нормальную точность изготовления современных поршневых машин, в частности двигателей внутреннего сгорания в условиях массового производства, либо вводить средства регулирования зазоров. Кроме того, такой механизм получается достаточно простым только в случае использования с верхним кулачковым валом в головке цилиндра, расположенным в плоскости, проходящей через ось коленчатого вала и оси цилиндров, что ограничивает область его использования. При других вариантах расположения кулачкового вала механизм уравновешивания должен иметь рычажное устройство, усложняющее его конструкцию. Необходимость расположения направляющей противовеса в той же указанной плоскости приводит к увеличению осевых габаритов поршневой машины и ухудшению ее массы на величину, превышающую массу самого механизма уравновешивания. Силы, возникающие в механизме при работе, дополнительно нагружают валы, что особенно отрицательно сказывается на кулачковом вале и его опорах. However, for unstressed interaction of cams and pushers in this mechanism, it is necessary to withstand the increased accuracy of the manufacture of elements and the relative position of the shafts, exceeding the normal accuracy of the manufacture of modern piston machines, in particular internal combustion engines in mass production, or introduce clearance control means. In addition, such a mechanism is quite simple only if used with the upper cam shaft in the cylinder head located in a plane passing through the axis of the crankshaft and the axis of the cylinders, which limits its area of use. With other variants of the location of the cam shaft, the balancing mechanism should have a lever device, complicating its design. The necessity of arranging the counterweight guide in the same indicated plane leads to an increase in the axial dimensions of the piston machine and to a deterioration in its weight by an amount exceeding the mass of the balancing mechanism itself. The forces arising in the mechanism during operation additionally load the shafts, which especially negatively affects the cam shaft and its bearings.

Кроме того, известны устройства для гашения вибраций, содержащие плунжеры в виде шариков, взаимодействующие с внутренней поверхностью трубчатого элемента и установленные в радиальных, смонтированных в державке цилиндрах, камеры которых соединены через дроссели с источником подвода рабочей среды под давлением [3] . In addition, devices for damping vibrations are known, containing plungers in the form of balls interacting with the inner surface of the tubular element and installed in radial cylinders mounted in the holder, the chambers of which are connected via pressure inductors to a source for supplying a working medium under pressure [3].

Такие устройства обеспечивают гашение вибраций державки, но не уравновешивают силы инерции и не могут быть использованы в поршневых машинах. Such devices provide damping of tool holder vibrations, but do not balance inertia forces and cannot be used in piston machines.

Наиболее близким к предложенному является механизм уравновешивания поршневой машины, преимущественно двигателя внутреннего сгорания, содержащий закрепленные на валу диски с радиальными направляющими, противовесы, установленные в радиальных направляющих с возможностью вращения вместе с диском и радиального перемещения относительно диска, и статор с внутренней профилированной поверхностью, предназначенной для взаимодействия с указанными противовесами. В этом механизме два диска закреплены на коленчатом валу машины, каждый диск выполнен в одной радиальной направляющей, сами направляющие расположены в разных плоскостях под углом 180^о одна к другой, и профиль внутренней поверхности статора выполнен в виде эллипса [4] .Closest to the proposed one is a balancing mechanism of a piston machine, mainly an internal combustion engine, comprising disks mounted on a shaft with radial guides, counterweights mounted in radial guides with the possibility of rotation together with the disk and radial movement relative to the disk, and a stator with an internal profiled surface designed to interact with these balances. In this mechanism, two disks are mounted on the crankshaft of the machine, each disk is made in one radial guide, the guides themselves are located in different planes at an angle of 180 ° ^to one another, and the profile of the inner surface of the stator is made in the form of an ellipse [4].

Такой механизм обеспечивает уравновешивание переменного по величине момента сил инерции первого порядка, но непригоден для уравновешивания сил инерции или моментов сил инерции высших порядков. Положительной особенностью этого механизма является то, что при его работе не происходит нагружения дополнительными усилиями вала, с которым соединены диски. Such a mechanism provides the balancing of the first-order inertia forces variable in magnitude, but is unsuitable for balancing the inertia forces or higher-order moments of inertia forces. A positive feature of this mechanism is that during its operation there is no loading by additional forces of the shaft to which the disks are connected.

Цель изобретения - расширение возможности уравновешивания сил и моментов сил инерции второго порядка и более высоких порядков. The purpose of the invention is the expansion of the possibility of balancing the forces and moments of inertia forces of the second order and higher orders.

Эта цель достигается тем, что в механизме уравновешивания поршневой машины, преимущественно двигателя внутреннего сгорания, с шатунно-кривошипным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала и со вторым валом, приводимым во вращение с частотой, вдвое меньшей частоты вращения коленчатого вала, например, с кулачковым валом механизма привода клапанов системы газораспределения, содержащем диск с радиальными направляющими, установленный с возможностью вращения вокруг своей оси, противовесы, установленные в радиальных направляющих с возможностью вращения вместе с диском и радиального перемещения относительно диска, и статор с внутренней профилированной поверхностью, предназначенной для взаимодействия с противовесами, согласно изобретению диск связан с вторым валом с возможностью совместного вращения и выполнен с четырьмя крестообразно расположенными в одной плоскости взаимно перпендикулярными направляющими, а профиль внутренней поверхности статора выполнен в виде сердцеобразной кривой, четыре точки которой, последовательно расположенные в окружном направлении через 90^о, размещены на одинаковых расстояниях от центра, совмещенного с осью диска, причем одна половина сердцеобразной кривой между двумя диаметрально противоположными указанными точками расположена снаружи от окружности, проведенной через четыре указанные точки, а другая половина сердцеобразной кривой расположена внутри указанной окружности.This goal is achieved by the fact that in the balancing mechanism of the piston machine, mainly an internal combustion engine, with a connecting rod-crank mechanism for converting the reciprocating motion of the piston into rotational motion of the crankshaft and with a second shaft driven into rotation with a frequency twice that of the crankshaft , for example, with a camshaft of a valve drive mechanism of a gas distribution system containing a disk with radial guides mounted for rotation around its axis, counterweights mounted in radial rails with the possibility of rotation together with the disk and radial movement relative to the disk, and a stator with an internal profiled surface designed to interact with the balances, according to the invention, the disk is connected to the second shaft with the possibility of joint rotation and is made with four crosswise mutually perpendicular guides located in the same plane, and the profile of the inner surface of the stator is made in the form of a heart-shaped curve, four points and wherein, successively disposed in the circumferential direction by ^90, are positioned at equal distances from the center, aligned with the drive axis, with one half heart-shaped curve between two diametrically opposed said points located outside of a circle drawn through the four specified points and the other half of the heart-shaped the curve is located inside the specified circle.

Такое выполнение механизма обеспечивает циклическое перемещение общего центра масс всех противовесов с частотой, вчетверо большей частоты вращения ротора, т. е. с частотой, вдвое большей частоты вращения коленчатого вала, что и требуется для уравновешивания сил инерции второго порядка. This embodiment of the mechanism provides a cyclic movement of the common center of mass of all balances with a frequency four times greater than the rotor speed, i.e., with a frequency twice that of the crankshaft, which is required to balance the second-order inertia forces.

Оптимальная сердцеобразная кривая профиля внутренней поверхности статора расположена на расстоянии, равном радиусу противовеса, от эквидистанты, образованной четырьмя участками, простирающимися каждый на дуге 90^о и имеющими концы на окружности, центр которой совмещен с центром статора, а расстояния h₁-h₄ от окружности до соответствующих участков, отстоящих на одинаковую угловую величину α от начальной точки каждого соответствующего участка, связны между собой соотношением

.The optimal heart-shaped profile curve of the inner surface of the stator is located at a distance equal to the radius of the counterweight from the equidistant, formed by four sections, each extending on an arc of 90 ^° and having ends on a circle, the center of which is aligned with the center of the stator, and distances h ₁ -h ₄ from the circle to the corresponding sections spaced at the same angular value α from the starting point of each corresponding section, are interconnected by the relation

.

Такое выполнение кривой профиля кулачковой поверхности статора обеспечивает прямолинейное возвратно-поступательное перемещение общего центра масс всех противовесов при вращении ротора в любом направлении. This implementation of the profile curve of the cam surface of the stator provides a linear reciprocating movement of the common center of mass of all balances when the rotor rotates in any direction.

При этом целесообразно, чтобы указанные расстояния h₁-h₄ были связаны с длиной L шатуна, соединяющего поршень машины с кривошипом коленчатого вала, и радиусом R кривошипа коленчатого вала соотношениями

₌ _sin _α

₌ _cos _α где А - постоянный коэффициент;
φ- угол поворота коленчатого вала машины, отсчитываемый от ВМТ или НМТ и равный 2 α.It is advisable that the indicated distances h ₁ -h ₄ be associated with the length L of the connecting rod connecting the piston of the machine with the crankshaft crank and the radius R of the crankshaft ratios

₌ _sin _α

₌ _cos _α where A is a constant coefficient;
φ is the angle of rotation of the crankshaft of the machine, measured from TDC or BDC and equal to 2 α.

Такое соотношение параметров механизма при соответствующем выборе коэффициента А, зависящего от соотношения масс противовесов и масс поступательно движущихся элементов машин, обеспечивает уравновешивание сил инерции второго порядка и всех высших порядков, а также соответствующих моментов сил инерции. This ratio of the parameters of the mechanism with the appropriate choice of coefficient A, depending on the ratio of the masses of the counterweights and the masses of the translationally moving elements of the machines, ensures the balancing of inertia forces of the second order and all higher orders, as well as the corresponding moments of inertia forces.

Камеры, образованные радиальными направляющими диска и установленными в них противовесами, целесообразно соединить с источником жидкости под давлением. Этим обеспечивается постоянный прижим противовесов к кулачковой поверхности статора без использования пружин, в том числе и на тех частях внутренней поверхности статора, при контактировании с которыми противовесов центростремительные силы, действующие на противовесы из-за изменения ускорения при их движении в направляющих ротора, больше чем центробежные силы, вызываемые вращением противовесов вместе с ротором. It is advisable to connect the chambers formed by the radial guides of the disk and the counterweights installed in them, to a source of liquid under pressure. This ensures a constant clamping of the balances to the cam surface of the stator without the use of springs, including on those parts of the inner surface of the stator, when in contact with which the balances are centripetal forces acting on the balances due to changes in acceleration when moving in the rotor guides, more than centrifugal forces caused by the rotation of the counterweights together with the rotor.

Целесообразно также камеры соединить с источником подвода жидкости под давлением через обратный клапан. Этим можно уменьшить давление подводимой жидкости. It is also advisable to connect the chambers to a source of supply of liquid under pressure through a check valve. This can reduce the pressure of the supplied fluid.

На фиг. 1 изображен вид на поршневую машину со стороны торца коленчатого вала в частичном разрезе; на фиг. 2 - поршневая машина с иным расположением валов; на фиг. 3 - поршневая машина с У-образным расположением цилиндров; на фиг. 4 - разрез А-А на фиг. 1, 6 и 7; на фиг. 5 - разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 6 - профиль кулачковой поверхности статора механизма уравновешивания в той же проекции, что и фиг. 5; на фиг. 7 - аналогична фиг. 4 и изображает другой вариант выполнения механизма уравновешивания. In FIG. 1 is a partial cross-sectional view of the piston engine from the side of the crankshaft end; in FIG. 2 - piston machine with a different arrangement of shafts; in FIG. 3 - piston machine with a U-shaped arrangement of cylinders; in FIG. 4 is a section AA in FIG. 1, 6 and 7; in FIG. 5 is a section BB in FIG. 2; in FIG. 6 is a profile of the cam surface of the stator of the balancing mechanism in the same projection as FIG. 5; in FIG. 7 is similar to FIG. 4 and depicts another embodiment of the balancing mechanism.

Поршневая машина - двигатель 1 внутреннего сгорания имеет картер 2 с цилиндром 3, в котором с возможностью возвратно-поступательного движения установлен поршень 4. Двигатель 1 может иметь несколько цилиндров, оси которых параллельны, и соответствующее количество поршней. В картере 2 двигателя 1 с возможностью вращения установлен коленчатый вал 5 с кривошипами 6, количество которых соответствует количеству цилиндров 3. Каждый кривошип имеет радиус R. Двигатель имеет шатунно-кривошипный механизм преобразования возвратно-поступательного движения каждого поршня 4 во вращательное движение коленчатого вала 5. Каждый такой механизм содержит шатун 7, один конец которого соединен с поршнем 4 при помощи поршневого пальца 8, а другой конец соединен с кривошипом 6 коленчатого вала 5. Длина шатуна между осями поршневого пальца 8 и кривошипа 6 равна L. Угол поворота коленчатого вала 5 от верхней мертвой точки (ВМТ) или нижней мертвой точки (НМТ) обозначен φ. Piston machine - internal combustion engine 1 has a crankcase 2 with a cylinder 3, in which a piston 4 is mounted with the possibility of reciprocating motion. Engine 1 can have several cylinders, the axes of which are parallel, and the corresponding number of pistons. In the crankcase 2 of the engine 1, a crankshaft 5 with cranks 6, the number of which corresponds to the number of cylinders 3, is mounted with rotation. Each crank has a radius R. The engine has a connecting rod-crank mechanism for converting the reciprocating movement of each piston 4 into the rotational movement of the crankshaft 5. Each such mechanism contains a connecting rod 7, one end of which is connected to the piston 4 using a piston pin 8, and the other end is connected to the crank 6 of the crankshaft 5. The length of the connecting rod between the axes of the piston ltsa 8 and the crank 6 is equal to L. The angle of rotation of the crankshaft 5 from the top dead center (TDC) or bottom dead center (BDC) is designated φ.

Двигатель 1 имеет головку 2 цилиндров 9, в которой в один ряд установлены клапаны 10 системы газораспределения (на фиг. 1 показан один клапан), и кулачковый вал 11 привода клапанов 10. Кулачковый вал 1 связан с коленчатым валом 5 при помощи цепной передачи 12 или передачи с зубчатым ремнем, либо при помощи другой известной передачи, обеспечивающей вращение кулачкового вала 11 с частотой, вдвое меньшей частоты вращения коленчатого вала 5. Ось 13 кулачкового вала 11 двигателя 1, показанного на фиг. 1, расположена параллельно оси коленчатого вала 5, в плоскости 14, проведенной через ось цилиндра 3 и ось коленчатого вала 5. The engine 1 has a cylinder head 2, in which the valves of the gas distribution system 10 are installed in one row (one valve is shown in FIG. 1), and the camshaft 11 of the valve actuator 10. The camshaft 1 is connected to the crankshaft 5 via a chain drive 12 or transmission with a toothed belt, or by using another known transmission that rotates the cam shaft 11 at a frequency twice that of the crankshaft 5. The axis 13 of the cam shaft 11 of the engine 1 shown in FIG. 1, is parallel to the axis of the crankshaft 5, in a plane 14 drawn through the axis of the cylinder 3 and the axis of the crankshaft 5.

Механизм уравновешивания поршневой машины - двигателя 1 внутреннего сгорания, показанный на фиг. 4 и 5, содержит диски 15 и статоры 16, расположенные концентрично дискам 14 и соединенные с головкой цилиндров 9. Каждый диск установлен с возможностью вращения вокруг своей оси и связан с кулачковым валом 11 с возможностью совместного вращения. Ось диска 15 совмещена с осью 13 кулачкового вала 11. Механизм уравновешивания может иметь два соосных диска 15, установленных на валу 11 на расстоянии один от другого вдоль оси вала, как показано на фиг. 4, либо может иметь один диск 15. The balancing mechanism of the piston machine — the internal combustion engine 1 shown in FIG. 4 and 5, contains disks 15 and stators 16 located concentrically to the disks 14 and connected to the cylinder head 9. Each disk is rotatably mounted about its axis and connected to the cam shaft 11 with the possibility of joint rotation. The axis of the disk 15 is aligned with the axis 13 of the cam shaft 11. The balancing mechanism may have two coaxial disks 15 mounted on the shaft 11 at a distance from one another along the axis of the shaft, as shown in FIG. 4, or may have one drive 15.

Каждый диск 15 имеет четыре крестообразно расположенных в одной плоскости взаимно перпендикулярных радиальных направляющих 17-20. Радиальная направляющая 19 соосна с радиальной направляющей 17 и расположена с другой стороны от оси 13 диска 15. Радиальные направляющие 18 и 20 соосны, расположены с разных сторон от оси 13 диска 15 и перпендикулярно двум первым направляющим 17 и 19. Как показано на фиг. 4 и 5 каждая радиальная направляющая 17-20 выполнена в виде радиального цилиндрического канала, открытого со стороны периферии диска 15. Each disk 15 has four crosswise located in the same plane mutually perpendicular radial guides 17-20. The radial guide 19 is coaxial with the radial guide 17 and is located on the other side of the axis 13 of the disk 15. The radial guides 18 and 20 are coaxial, located on different sides of the axis 13 of the disk 15 and perpendicular to the first two guides 17 and 19. As shown in FIG. 4 and 5, each radial guide 17-20 is made in the form of a radial cylindrical channel open from the periphery of the disk 15.

В радиальных направляющих 17-20 диска 15 с возможностью вращения вместе с диском и радиального перемещения относительно оси 13 диска 15 установлены противовесы 21-24. Каждый противовес выполнен в виде тела вращения с постоянным радиусом. Радиусы r всех противовесов 21-24 (фиг. 6) одинаковы. Противовесы 21-24, показанные на фиг. 4 и 5, выполнены в виде шариков и могут быть выполнены в виде роликов. Каждая камера 25(26-28), образованная радиальной направляющей 17(18-20) диска 15 и установленным в нем противовесом 21(22-24), соединенные через радиальные 29 и осевой 30 каналы вала 11, а также другие каналы с источником 31 подвода жидкости под давлением, например с масляным насосом системы смазки двигателя. Все камеры 25-28 каждого диска 15 сообщены между собой и соединены с источником 31 через обратный клапан 32. In the radial guides 17-20 of the disk 15 with the possibility of rotation together with the disk and radial movement relative to the axis 13 of the disk 15, counterweights 21-24 are installed. Each counterweight is made in the form of a body of revolution with a constant radius. The radii r of all balances 21-24 (Fig. 6) are the same. The counterweights 21-24 shown in FIG. 4 and 5 are made in the form of balls and can be made in the form of rollers. Each camera 25 (26-28), formed by a radial guide 17 (18-20) of the disk 15 and a counterweight 21 (22-24) installed therein, connected through the radial 29 and axial 30 channels of the shaft 11, as well as other channels with a source 31 supplying liquid under pressure, for example with an oil pump of an engine lubrication system. All chambers 25-28 of each disk 15 are interconnected and connected to the source 31 through the check valve 32.

Каждый статор 16 имеет внутреннюю цилиндрическую профилированную поверхность 33, предназначенную для взаимодействия с противовесами 21-24. Некруглый профиль поверхности 33 (фиг. 5) выполнен в виде сердцеобразной кривой, четыре точки 34-37 которой, последовательно расположенные в окружном направлении через 90^о, размещены на одинаковых расстояниях от центра статора, совмещенного с осью 13 диска 15 (центр 13 статора), причем одна половина сердцеобразной кривой профиля поверхности 33 между диаметрально противоположными точками 34 и 36 расположена снаружи от окружности 38, проведенной через точки 34-37, а другая половина сердцеобразной кривой - внутри окружности 38.Each stator 16 has an inner cylindrical profiled surface 33, designed to interact with counterweights 21-24. The non-circular profile of the surface 33 (Fig. 5) is made in the form of a heart-shaped curve, four points 34-37 of which, successively located in the circumferential direction through 90 ^° , are placed at equal distances from the center of the stator, aligned with the axis 13 of the disk 15 (center 13 of the stator) moreover, one half of the heart-shaped curve of the profile of the surface 33 between diametrically opposite points 34 and 36 is located outside of the circle 38 drawn through points 34-37, and the other half of the heart-shaped curve is inside the circle 38.

Сердцеобразная кривая профиля поверхности 33 статора 16 (фиг. 6) расположена на расстоянии, равном радиусу r каждого противовеса 21-24, от эквидистанты 39, образованной четырьмя участками 40-43, простирающимися каждый на дуге 90^о. Концы участков 40-43 кривой 39 расположены на окружности 44, центр которой совмещен с центром 13 статора. Расстояния h₁-h₄ от окружности 44 до каждых четырех точек 45-48 соответствующих участков 40-43 кривой 39, каждая из которых отстоит на одинаковую угловую величину α от начальной точки каждого соответствующего участка 40-43, связаны между собой соотношением

.The heart-shaped profile curve of the surface 33 of the stator 16 (Fig. 6) is located at a distance equal to the radius r of each counterweight 21-24 from the equidistant 39 formed by four sections 40-43, each extending on an arc of 90 ^about . The ends of sections 40-43 of curve 39 are located on a circle 44, the center of which is aligned with the center 13 of the stator. The distances h ₁ -h ₄ from the circle 44 to every four points 45-48 of the corresponding sections 40-43 of the curve 39, each of which is at the same angular value α from the starting point of each corresponding section 40-43, are interconnected by the ratio

.

Оси, проведенные через начальные и конечные точки участков 40-43 кривой 39 и центр на оси 13, обозначены Х и Y на фиг. 4. The axes drawn through the start and end points of sections 40-43 of curve 39 and the center on axis 13 are indicated by X and Y in FIG. 4.

Расстояние h₁-h₄ связаны с длиной L шатуна 7 и радиусом R кривошипа 6 коленчатого вала 5 (фиг. 1) соотношениями

₌ _sin _α

₌ _cos _α где А - постоянный коэффициент, величина которого зависит от соотношения масс противовесов 21-24 и масс поступательно движущихся элементов машины;
φ- угол поворота коленчатого вала 5, отсчитываемый от ВМТ или НМТ и равный 2α ;
(L-

) - величина перемещения оси поршневого пальца 8 относительно оси кривошипа 6 коленчатого вала 5 в проекции на плоскость 14.The distance h ₁ -h ₄ associated with the length L of the connecting rod 7 and the radius R of the crank 6 of the crankshaft 5 (Fig. 1) by the relations

₌ _sin _α

₌ _cos _α where A is a constant coefficient, the value of which depends on the mass ratio of the counterweights 21-24 and the masses of the translationally moving elements of the machine;
φ is the angle of rotation of the crankshaft 5, counted from TDC or BDC and equal to 2α;
(L-

) - the displacement of the axis of the piston pin 8 relative to the axis of the crank 6 of the crankshaft 5 in projection onto the plane 14.

В двигателе, у которого при работе возникают силы инерции второго порядка и высших порядков, в частности в четырехцилиндровом линейном двигателе, кулачковые поверхности 33 двух статоров 16, установленных концентрично двум дискам 15 (фиг. 4) соосны. В двигателе, у которого при работе возникают моменты сил инерции второго порядка и высших порядков, в частности в трехцилиндровом линейном двигателе кулачковые поверхности 33 двух статоров 16, установленных концентрично двум дискам 15, расположены под углом 180^о одна к другой в проекции на плоскость, перпендикулярную оси 13 дисков 15.In an engine in which second-order and higher-order inertia forces arise, in particular in a four-cylinder linear engine, cam surfaces 33 of two stators 16 mounted concentrically to two disks 15 (Fig. 4) are aligned. In an engine in which moments of inertia of the second order and higher orders arise, in particular in a three-cylinder linear engine, cam surfaces 33 of two stators 16 mounted concentrically to two disks 15 are arranged at an angle of 180 ° ^to one another in a projection onto a plane perpendicular axis 13 of the disks 15.

Механизм уравновешивания, показанный на фиг. 7, содержит диск 15, установленный с возможностью вращения совместно с кулачковым валом 11, и статор 16, расположенный концентрично диску 15 и соединенный с головкой цилиндров 9. Ось диска 15 совмещена с осью 13 кулачкового вала 11. Диск 15 имеет четыре радиальных направляющих 17-20 (на чертеже показаны направляющие 17 и 19). Соосные радиальные направляющие 17 и 19, расположенные с разных сторон от оси 13 ротора 15, перпендикулярны радиальным направляющим 18 и 20, расположенным с разных сторон от оси 13 ротора 15. В направляющих 17-20 с возможностью вращения вместе с ротором и радиального перемещения относительно оси 13 ротора 15 установлены противовесы 21-24 (показаны противовесы 21 и 23), выполненные в виде шариков одинакового диаметра. Статор 16 имеет внутреннюю профилированную поверхность 33, предназначенную для взаимодействия с противовесами 21-24 и имеющую профиль, описанный выше со ссылками на фиг. 5 и 6. Между противовесами 21-24 установлен элемент 49, предназначенный для передачи усилий между противовесами. Элемент 49 установлен с возможностью радиального перемещения относительно диска 15 и имеет форму тела вращения с наружной поверхностью 50, предназначенной для взаимодействия с противовесами. Элемент 49 выполнен в виде кольца с центральным отверстием 51. Наружная поверхность 50 кольца 49 выполнена в виде части вогнутого тора. The balancing mechanism shown in FIG. 7, contains a disk 15 mounted rotatably with the cam shaft 11, and a stator 16 concentric with the disk 15 and connected to the cylinder head 9. The axis of the disk 15 is aligned with the axis 13 of the cam shaft 11. The disk 15 has four radial guides 17- 20 (the drawing shows the guides 17 and 19). Coaxial radial guides 17 and 19, located on different sides from the axis 13 of the rotor 15, are perpendicular to the radial guides 18 and 20, located on different sides from the axis 13 of the rotor 15. In the guides 17-20 with the possibility of rotation together with the rotor and radial movement relative to the axis 13 of the rotor 15, counterweights 21-24 are installed (counterweights 21 and 23 are shown) made in the form of balls of the same diameter. The stator 16 has an internal profiled surface 33 designed to interact with the counterweights 21-24 and having the profile described above with reference to FIG. 5 and 6. Between the balances 21-24 installed element 49, designed to transfer forces between balances. The element 49 is mounted with the possibility of radial movement relative to the disk 15 and has the shape of a body of revolution with an outer surface 50 designed to interact with counterweights. The element 49 is made in the form of a ring with a Central hole 51. The outer surface 50 of the ring 49 is made as part of a concave torus.

Поршневая машина - двигатель 1 внутреннего сгорания (фиг. 2) аналогична поршневой машине, показанной на фиг. 1, и имеет головку цилиндров 9, в которой в два ряда установлены клапаны 10 системы газораспределения и два кулачковых вала 11 привода клапанов 10. Кулачковые валы 11 связаны с коленчатым валом 5 при помощи передачи 12, обеспечивающей их вращение в одном направлении с частотой, вдвое меньшей частоты вращения коленчатого вала 5. Оси 13 кулачковых валов 11 расположены параллельно оси коленчатого вала 5 с разных сторон от плоскости 14, проходящей через ось цилиндра 3 и ось коленчатого вала 5 на расстоянии от плоскости 14. На каждом кулачковом валу 11 установлены один или два диска 15 механизма уравновешивания, показанного на фиг. 4 и 5 или 7, 5, так, что оси роторов также расположены параллельно оси коленчатого вала 5 с разных сторон от плоскости 14. A piston engine — an internal combustion engine 1 (FIG. 2) is similar to the piston engine shown in FIG. 1, and has a cylinder head 9, in which the valves 10 of the gas distribution system and two cam shafts 11 of the actuator of the valves 10 are installed in two rows. The cam shafts 11 are connected to the crankshaft 5 by means of a gear 12, which rotates in the same direction twice lower rotational speed of the crankshaft 5. The axes 13 of the camshafts 11 are parallel to the axis of the crankshaft 5 from different sides of the plane 14 passing through the axis of the cylinder 3 and the axis of the crankshaft 5 at a distance from the plane 14. On each camshaft 11, set enes one or two disks 15 balancing mechanism shown in FIG. 4 and 5 or 7, 5, so that the axis of the rotors are also parallel to the axis of the crankshaft 5 from different sides of the plane 14.

Поршневая машина - двигатель 1 внутреннего сгорания 1 (фиг. 2) имеет У-образное расположение цилиндров и два кулачковых вала 11, оси 13 которых параллельны оси коленчатого вала 5 и расположены в двух плоскостях 14, проходящих через оси цилиндров и ось коленчатого вала машины. На кулачковых валах 11 установлены диски 15 механизма уравновешивания, показанного на фиг. 4 и 5 или 7, так, что оси 13 дисков 15 расположены в плоскостях 14 и параллельны оси коленчатого вала 5. Piston machine - internal combustion engine 1 (Fig. 2) has a U-shaped arrangement of cylinders and two cam shafts 11, the axes 13 of which are parallel to the axis of the crankshaft 5 and are located in two planes 14 passing through the cylinder axis and the axis of the crankshaft of the machine. Disks 15 of the balancing mechanism shown in FIG. 4 and 5 or 7, so that the axis 13 of the disks 15 are located in the planes 14 and parallel to the axis of the crankshaft 5.

Предлагаемый механизм работает следующим образом. The proposed mechanism works as follows.

При возвратно-поступательном перемещении поршней 4 в цилиндрах 3 и вращении коленчатого вала 5 в картере 2 двигателя 1 (фиг. 1) шатун 7 совершает качательное движение относительно оси поршневого пальца 8. Вследствие этого возникает сила инерции второго порядка и высших порядков. Относительное перемещение оси поршневого пальца 8 и оси кривошина коленчатого вала 5 в проекции на плоскость 14 составляет L-

, а частота качательного движение шатуна 7 вдвое больше частоты вращения коленчатого вала 5.When the reciprocating movement of the pistons 4 in the cylinders 3 and the rotation of the crankshaft 5 in the crankcase 2 of the engine 1 (Fig. 1), the connecting rod 7 performs a swinging motion relative to the axis of the piston pin 8. As a result, a second-order and higher order inertia force arises. The relative displacement of the axis of the piston pin 8 and the axis of the crankshaft of the crankshaft 5 in the projection onto the plane 14 is L-

and the frequency of the oscillating movement of the connecting rod 7 is twice the speed of the crankshaft 5.

При вращении диска 15 вместе с кулачковым валом 11 (фиг. 4 и 5) противовесы 21-24, взаимодействующие с профилированной поверхностью 3 статора 16, совершают сложное движение, вращаясь вместе с диском 15 и перемещаясь в направляющих 17-20 диска 15. При этом общий центр масс 52 противовесов 21-24 (фиг. 6) перемещается следующим образом. Перемещение проекции центра масс противовесов 24 и 22 (точки 45 и 47 на фиг. 6) на ось Х равно по величине и противоположно по знаку перемещению проекции центра масс противовесов 21 и 23 (точки 46 и 48 на фиг. 6) на ту же ось X. Абсолютная величина каждого из этих перемещений равна A(L-

)sinα·cosα . Таким образом, центр масс 52 противовесов 21-24 перемещается возвратно-поступательно вдоль оси У. Частота перемещений центра 52 масс вчетверо больше частоты вращения диска 15, т. е. вдвое больше частоты вращения коленчатого вала 5. Перемещение проекции центра 52 масс вчетверо больше частоты вращения диска 15/ т. е. вдвое больше частоты вращения коленчатого вала 5. Перемещение проекции центра масс противовесов 24 и 22(точки 45 и 47 на фиг. 6) на ось У равно Α(L-

)·sin²α . Перемещение проекции центра масс противовесов 21 и 23 (точки 46 и 48 на фиг. 6) на ось У равно A(L-

)cos²α. Суммарное перемещение H центра масс всех противовесов 21-24 равно Α(sin

cos²α)×(L-

)= A(L-

) /т. е. противоположно по знаку и пропорционально по величине относительному перемещению оси поршневого пальца 8 и оси кривошипа 6 коленчатого вала 5 в проекции на плоскость 14. Тем самым противовесы 21-24 обеспечивают уравновешивание сил инерции второго порядка и более высоких порядков. В многоцилиндровых двигателях, в которых при работе возникают моменты сил инерции второго порядка и более высоких порядков, противовесы 21-424 двух дисков 15, расположенных на расстоянии один от другого вдоль сил вала 11, при взаимодействии с профилированными поверхностями 33 двух статоров 16, расположенных под углом одна к другой в проекции на плоскость, перпендикулярную оси 13 дисков 15, обеспечивают уравновешивание моментов сил инерции второго порядка и более высоких порядков.When the disk 15 is rotated together with the cam shaft 11 (Figs. 4 and 5), the balances 21-24 interacting with the profiled surface 3 of the stator 16 make a complex movement, rotating together with the disk 15 and moving in the guides 17-20 of the disk 15. In this case the common center of mass 52 of the balances 21-24 (Fig. 6) moves as follows. The displacement of the projection of the center of mass of the balances 24 and 22 (

points

45 and 47 in Fig. 6) on the X axis is equal in magnitude and opposite in sign to the displacement of the projection of the center of mass of the balances 21 and 23 (

points

46 and 48 in Fig. 6) on the same axis X. The absolute value of each of these movements is equal to A (L-

) sinα cosα. Thus, the center of mass of 52 counterweights 21-24 moves reciprocally along the Y axis. The frequency of movement of the center of mass 52 is four times the rotational speed of the disk 15, that is, twice the speed of the crankshaft 5. The projection of the center of 52 mass is four times the frequency the rotation of the disk 15 / i.e., twice the rotational speed of the crankshaft 5. The displacement of the projection of the center of mass of the balances 24 and 22 (

points

45 and 47 in Fig. 6) on the Y axis is Α (L-

) · Sin ² α. The displacement of the projection of the center of mass of the balances 21 and 23 (

points

46 and 48 in Fig. 6) on the Y axis is A (L-

) cos ² α. The total displacement H of the center of mass of all balances 21-24 is Α (sin

cos ² α) × (L-

) = A (L-

) / t. e. it is opposite in sign and proportional in magnitude to the relative displacement of the axis of the piston pin 8 and the axis of the crank 6 of the crankshaft 5 in projection onto plane 14. Thus, the balances 21-24 provide balancing of the inertia forces of the second order and higher orders. In multi-cylinder engines, in which moments of inertia of the second order and higher order occur, counterweights 21-424 of two disks 15 located at a distance from each other along the shaft forces 11, when interacting with the profiled surfaces 33 of two stators 16 located under angle to one another in a projection onto a plane perpendicular to the axis 13 of the disks 15, provide balancing of the moments of inertia forces of the second order and higher orders.

При работе предлагаемого механизма уравновешивания поршневой машины противовесы 21-24 катятся по профилированной поверхности 33 статора 16 и скользят с относительно небольшим усилием прижима в направляющих 17-20 диска 15, в результате чего механизм работает с относительно небольшими потерями на трение. Жидкость, находящаяся в камерах 25-28 диска 15 (фиг. 4) обеспечивает постоянный прижим противовесов 21-24 к профилированной поверхности 33 статора 16, а также обеспечивает смазку направляющих и противовесов. Кольцо 49 (фиг. 7) передает усилия между противовесами 21-24 и поддерживает их в требуемом положении относительно профилированной поверхности 33 статора 16. При этом кольцо 49 катится по вращающимся противовесам 21-24 с малыми потерями на трение и удерживается ими от осевого перемещения. When the proposed balancing mechanism of the piston machine is used, the counterweights 21-24 roll along the profiled surface 33 of the stator 16 and slide with a relatively small clamping force in the guides 17-20 of the disk 15, as a result of which the mechanism works with relatively small friction losses. The fluid in the chambers 25-28 of the disk 15 (Fig. 4) provides a constant clamping of the balances 21-24 to the profiled surface 33 of the stator 16, and also provides lubrication of the guides and balances. Ring 49 (Fig. 7) transfers forces between the counterweights 21-24 and maintains them in the required position relative to the profiled surface 33 of the stator 16. At the same time, the ring 49 rolls along the rotating counterweights 21-24 with low friction losses and keeps them from axial movement.

Работа механизма уравновешивания в двигателях, показанных на фиг. 2 и 3, аналогична описанной. (56) 1. Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. Орлина А. С. и Круглова М. Г. М. : Машиностроение, 1984, с. 70, рис. 3б. The operation of the balancing mechanism in the engines shown in FIG. 2 and 3, similar to that described. (56) 1. Internal combustion engines. Design and strength analysis of piston and combined engines. Ed. Orlin A.S. and Kruglova M.G.M.: Mechanical Engineering, 1984, p. 70, fig. 3b.

2. Патент США N 4688528, кл. F 16 F 15/10, 1987. 2. US patent N 4688528, CL. F 16 F 15/10, 1987.

3. Авторское свидетельство СССР N 258783, кл. F 17 F 15/10, 1968. 3. Copyright certificate of the USSR N 258783, cl. F 17 F 15/10, 1968.

4. Авторское свидетельство СССР N 354201, кл. F 16 F 15/10, 1972, прототип. 4. Copyright certificate of the USSR N 354201, cl. F 16 F 15/10, 1972, prototype.

Claims

1. MECHANISM FOR PISTON MACHINE STABILIZATION, mainly of an internal combustion engine, with a crank mechanism for converting the reciprocating motion of the piston into rotational motion of the crankshaft with a second shaft, driven into rotation with a frequency half that of the crankshaft, for example, with a cam shaft the valve timing mechanism of the gas distribution system, comprising a disk with radial guides mounted for rotation around its axis, counterweights are installed in radial guides with the possibility of rotation together with the disk and radial movement relative to the disk, and a stator with an internal profiled surface designed to interact with counterweights, characterized in that, in order to expand operational capabilities, the disk is connected to the second shaft with the possibility of joint rotation and it is placed four mutually perpendicular guides, and the profile of the inner surface of the stator is made in the form of a heart-shaped curve, four points of which, in series aspolozhennye in the circumferential direction through 90 ^o, are positioned at equal distances from the stator center, aligned with the drive axis, with one half heart-shaped curve between two diametrically opposed said points located outside of a circle drawn through the four specified points and the other half inside the heart-shaped curve is specified circle.

2. The mechanism according to p. 1, characterized in that the heart-shaped profile curve of the inner surface of the stator is located at a distance equal to the radius of the counterweight from the equidistant formed by four sections, each extending on an arc of 90 ^o and having ends on a circle, the center of which is aligned with the center the stator, and the distances h ₁ , h ₂ , h ₃ , h ₄ from the circle to the points of the respective sections, spaced by the same angular value α from the starting point of each corresponding section, are interconnected by the ratio

.

3. The mechanism according to p. 2, characterized in that the indicated distances h ₁ , h ₂ , h ₃ , h ₄ are connected with the length L of the connecting rod connecting the piston of the machine with the crank of the crankshaft, and with the radius R of the crankshaft of the ratios

₌ _sin _α ;

₌ _cos _α ,
where A is a constant coefficient;
φ is the angle of rotation of the crankshaft of the machine, measured from top dead center or bottom dead center and equal to 2α.

4. The mechanism according to claim 1, characterized in that the chambers formed by the radial guides of the disk and the counterweights installed in them are designed to be connected to a source of fluid supply under pressure.

5. The mechanism according to p. 4, characterized in that it is equipped with a check valve placed between the cameras and the source.