專利名稱：一種多缸柴油機(jī)平衡裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本設(shè)計(jì)是一種用較簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)來(lái)平衡多缸柴油機(jī)往復(fù)力偶的裝置，最適用于雙缸和三缸四沖程柴油機(jī)的平衡，以減輕振動(dòng)而適應(yīng)車用動(dòng)力和移動(dòng)作業(yè)的要求。
近年來(lái)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)農(nóng)用運(yùn)輸車極為盛行，所選動(dòng)力大致為290、295和2100等型柴油機(jī)，因此對(duì)雙缸柴油機(jī)要求減振的呼聲時(shí)有所聞。關(guān)于四沖程柴油機(jī)的減振問(wèn)題，目前除單缸機(jī)采用雙軸平衡(S195型)外，對(duì)于雙缸和三缸機(jī)尚未見(jiàn)聞?dòng)泻未胧?。一般說(shuō)來(lái)，雙缸和三缸柴油機(jī)也采用雙軸平衡，其結(jié)構(gòu)是比較復(fù)雜的。如欲對(duì)現(xiàn)有機(jī)型加裝雙軸平衡，則原結(jié)構(gòu)須作大量更動(dòng)，看來(lái)也不合算。
本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)現(xiàn)有雙缸三缸四沖程柴油機(jī)改造時(shí)，只要在原型機(jī)上加裝一條與凸輪軸平行的平衡軸，就可收到與雙軸平衡同樣的減振效果。(請(qǐng)閱下文減振原理。)同時(shí)，用本設(shè)計(jì)改造的柴油機(jī)，其外形尺寸完全不變，絕不妨礙對(duì)原配車輛的配套。在加工方面，除增加搪平衡軸軸承孔工序外，原有機(jī)體加工裝備亦完全不變。在改造中，估計(jì)重量將增加3％，成本亦將增加3％，改造后的柴油機(jī)如作為車用動(dòng)力，短時(shí)功率可增加20％。(因振動(dòng)減輕，必要時(shí)可適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速。)本裝置是根據(jù)下述原理實(shí)現(xiàn)的1.在曲軸兩端附加適當(dāng)?shù)钠馁|(zhì)量，使原已平衡的曲軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)形成一組附加力偶，這附加力偶的指向與往復(fù)力偶相反，其力矩足以平衡50％的往復(fù)力偶。
2.在凸輪軸的上方加裝一條與其平行(避開(kāi)氣門推桿)的平衡軸，這平衡軸的轉(zhuǎn)速與曲軸相同，而轉(zhuǎn)向與曲軸相反。當(dāng)平衡軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，其兩端平衡塊形成的力偶，指向亦與往復(fù)力偶相反，力矩亦為往復(fù)力偶的50％。
3.由于平衡軸力偶與曲軸附加力偶的指向相同，其和又與指向相反的往復(fù)力偶相等，從而往復(fù)力偶獲得平衡。同時(shí)，平衡塊水平分力形成的兩組水平力偶(附圖3)，因彼此指向相反，也互相平衡。
本裝置構(gòu)造說(shuō)明于下(一)雙缸四沖程柴油機(jī)平衡機(jī)構(gòu)請(qǐng)閱附


圖1。
圖1(a)是農(nóng)車常用的幾種柴油機(jī)齒輪室輪系圖，數(shù)字1為曲軸齒輪，2為惰輪，3為凸輪軸齒輪，4為準(zhǔn)備加裝的平衡軸齒輪，5為飛輪外徑園弧，此弧表示平衡塊與飛輪之間相對(duì)位置。圖中d1、d2分別為凸輪軸與平衡軸對(duì)氣缸中心線的距離。
附
圖1(b)說(shuō)明平衡塊與曲軸定位關(guān)系，也是往復(fù)力偶最大值的位置。圖中第一曲柄表示活塞在上死點(diǎn)，右邊的兩個(gè)平衡質(zhì)量m1和m1′都指向正下方；第二曲柄表示活塞在下死點(diǎn)，左邊的兩個(gè)平衡質(zhì)量m2和m2′都指向正上方。由于本裝置的四個(gè)平衡質(zhì)量佈置不對(duì)稱，平衡計(jì)算時(shí)須在兩缸之間虛設(shè)一條關(guān)系線，以求兩邊的力矩；因此兩缸中心距a被關(guān)系線平分為兩個(gè) 1/2 a。圖中b1、b1′及b2、b2′分別為平衡質(zhì)量m1、m1′及m2、m2′對(duì)關(guān)系線的距離。在附圖2中，D為飛輪內(nèi)園，用以對(duì)平衡質(zhì)量m2定位，R為曲柄銷廻轉(zhuǎn)半徑，m為活塞及連桿小頭質(zhì)量。其余符號(hào)分別為四個(gè)平衡質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)半徑、離心力、離心力的垂直分力和水平分力。并以a·mRω2cosθ為平衡計(jì)算的依據(jù)。式中ω為曲柄角速度(弧度／秒)。
當(dāng)?shù)谝磺D(zhuǎn)角θ小于90°時(shí)(圖2a)，活塞等質(zhì)量m的一級(jí)往復(fù)慣性力為mRω2cosθ，指向上方，對(duì)關(guān)系線形成一個(gè)逆時(shí)針力矩 1/2 a·mRω2cosθ。這時(shí)曲軸上附加質(zhì)量m1的離心力為F1，其垂直分力F1v為m1R1ω2cosθ；右上方平衡塊m1′的離心力為F1′，其垂直分力F1′v為m1′R1′ω2cosθ；這兩個(gè)垂直分力都指向下方，對(duì)關(guān)系線(
圖1b)形成兩個(gè)順時(shí)針力矩b1·m1R1ω2cosθ和b1′·m1′R1′ω2cosθ。用數(shù)學(xué)式表達(dá)往復(fù)力矩與平衡力矩的關(guān)系，則右邊力矩之和為1/2 × 1/2 a·mRω2COSθ－b1·m1R1ω2COSθ＝0……(1)1/2 × 1/2 a·mRω2COSθ－b1′·m1′R1′ω2COSθ＝0……(2)同樣，在關(guān)系線左邊的力矩之和為1/2 × 1/2 a·mRω2COSθ－b2·m2R2ω2COSθ＝0……(3)1/2 × 1/2 a·mRω2COSθ－b2′·m2′R2′ω2COSθ＝0……(4)從式(1)至式(4)的平衡關(guān)系可知，四個(gè)平衡力矩都等于 1/4 amRω2COSθ。所以b1m1R1＝b1′m1′R1′＝b2m2R2＝b2′m2′R2′……(5)因此，式(1)式(3)相加，即為曲軸附加力偶與往復(fù)力偶的關(guān)系1/2 amRω2COSθ＝(b1m1R1＋b2m2R2)ω2COSθ……(6)同樣，式(2)式(4)相加，即為平衡軸力偶與往復(fù)力偶的關(guān)系1/2 amRω2COSθ＝(b1′m1′R1′＋b2′m2′R2′)ω2COSθ……(7)式(6)和式(7)反映了前述原理的第一項(xiàng)和第二項(xiàng)，即曲軸附加力偶等于往復(fù)力偶的50％，平衡軸力偶亦等于往復(fù)力偶的50％。
式(6)式(7)相加則為整機(jī)力偶平衡方程式amRω2COSθ＝(b1m1R1＋b2m2R2)ω2COSθ＋(b1′m1′R1′＋b2′m2′R2′)ω2COSθ……(8)
式(8)表明，本裝置對(duì)一級(jí)往復(fù)力偶的平衡是能實(shí)現(xiàn)的。
關(guān)于平衡塊水平分力的平衡，請(qǐng)閱附圖2。曲軸自由端的平衡質(zhì)量m1(圖2a)水平分力F1H為m1R1ω2sinθ，與關(guān)系線(
圖1b)右邊的距離b1形成一個(gè)順時(shí)針力矩b1m1R1ω2sinθ；飛輪端的平衡質(zhì)量m2(圖2b)水平分力F2H為m2R2ω2sinθ，與關(guān)系線左邊的距離b2也形成一個(gè)順時(shí)針力矩b2m2R2ω2sinθ。依據(jù)式(5)各個(gè)平衡力矩相等的關(guān)系，作用在曲軸兩端的水平力矩，就成為一組水平力偶(附圖3)。其式為Mc＝(b1m1R1＋b2m2R2)ω2sinθ……(9)在活塞右上方的平衡塊(附圖2)，即平衡軸兩端的平衡塊，因其轉(zhuǎn)向與曲軸相反，故水平分力F1′H為m1′R1′ω2sin(－θ)，另一端水平分力F2′H為m2′R2′ω2sin(－θ)；其力矩分別為－b1′m1′R1′ω2sinθ和－b2′m2′R2′ω2sinθ。因此，平衡軸的力偶是負(fù)向的(附圖3)，也就是逆時(shí)針的。其式為Mb＝－(b1′m1′R1′＋b2′m2′R2′)ω2sinθ……(10)式(9)與(10)的兩組水平力偶雖不在同一平面，但其和始終等于零。根據(jù)力偶定理“力偶可由一平面移至任一平行平面，其外效應(yīng)不變”。的論述，這兩組水平力偶是能達(dá)到外部平衡的；不致使柴油機(jī)橫向振動(dòng)。
各個(gè)平衡塊本身的力矩(重量與重心距的乘積)，從式(1)至(4)得m1R1＝amR／4b1m2R2＝amR／4b2m1′R1′＝amR／4b1′ m2′R2′＝amR／4b2′(二)三缸四沖程柴油平衡機(jī)構(gòu)請(qǐng)閱附圖4。圖4(a)表示曲軸上的附加質(zhì)量m1和m2的位置與曲柄角的關(guān)系，這時(shí)第一曲柄在上死點(diǎn)后30°。圖中D為飛輪內(nèi)園，d為平衡軸對(duì)氣缸中心距離；字母A、B、C分別為第一、第二和第三曲柄；左上角的m1′和m2′是平衡軸上的平衡塊。
圖4(b)表示曲軸與平衡軸縱向佈置。當(dāng)?shù)谝磺鷱纳纤傈c(diǎn)轉(zhuǎn)到30°時(shí)，往復(fù)力偶為最大。這時(shí)第一缸內(nèi)的往復(fù)慣性力向上，所以右邊的平衡質(zhì)量m1和m1′都指向正下方；第三缸內(nèi)的往復(fù)慣性力向下，所以飛輪端的平衡質(zhì)量m2和m2′都指向正上方；在這瞬時(shí)，第二缸內(nèi)的一級(jí)往復(fù)慣性力等于零。圖中b1、b1′和b2、b2′分別為四個(gè)平衡質(zhì)量對(duì)關(guān)系線的距離，a為相鄰兩缸的中心距，數(shù)字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別為第一缸、第二缸和第三缸的中心線。
由于本裝置的平衡塊佈置不對(duì)稱，故以第二缸中心線作為關(guān)系線，用以計(jì)算兩邊的力矩平衡。又因三缸機(jī)往復(fù)力偶最大值為3]]>mRω2a，(式中m為活塞及連桿小頭質(zhì)量。R為曲柄銷廻轉(zhuǎn)半徑，a為相鄰兩缸的中心矩。)在作力矩平衡計(jì)算時(shí)，應(yīng)將力偶變成力矩的形式，故對(duì)關(guān)系線的往復(fù)力矩為 1/2
mRω2a。根據(jù)圖4(b)所給平衡塊對(duì)關(guān)系線的距離，其平衡力矩與往復(fù)力矩的關(guān)系為右邊力矩之和 1/2 × 1/2
mRω2a－m1R1ω2b1＝0……(11)1/2 × 1/2
mRω2a－m1′R1′ω2b1′＝0……(12)左邊力矩之和 1/2 × 1/2
mRω2a－m2R2ω2b2＝0……(13)1/2 × 1/2
mRω2a－m2′R2′ω2b2′＝0……(14)解上列四式，平衡塊本身力矩(重量與重心矩的乘積)依次為m1R1＝0.433mRa／b1m1′R1′＝0.433mRa／b1′m2R2＝0.433mRa／b2m2′R2′＝0.433mRa／b2′
式(11)至式(14)四式相加，則為整機(jī)平衡方程式
mRω2a＝(m1R1b1＋m2R2b2)ω2＋(m1′R1′b1′＋m2′R2′b2′)ω2……(15)式中(m1R1b1＋m2R2b2)ω2為曲軸附加力偶，(m1′R1′b1′＋m2′R2′b2′)ω2為平衡軸的力偶。式(15)與式(8)不同之處在于未用垂直分力表示，這是因?yàn)橛?jì)算平衡力矩時(shí)選擇了往復(fù)力偶最大值的位置；在這瞬間，關(guān)系線右邊的兩個(gè)平衡塊都指向正下方，左邊的都指向正上方，它們都不存在水平分力，所以這時(shí)的平衡力是純粹的離心力。
關(guān)于水平力偶的平衡性，在雙缸機(jī)水平力偶分析中，已證明柴油機(jī)不會(huì)產(chǎn)生橫向振動(dòng)；三缸機(jī)的平衡機(jī)構(gòu)與雙缸機(jī)完全相同，其平衡效果自然也是相同的。
(三)本設(shè)計(jì)用于未平衡的二沖程柴油機(jī)改造時(shí)，就不需要另加平衡軸，只要求凸輪軸轉(zhuǎn)向與曲軸相反，其兩端配上平衡塊就行了。
權(quán)利要求一種由一條平衡軸和曲軸附加力偶組成的多缸柴油機(jī)平衡裝置；其特征是在曲軸兩端附加兩個(gè)偏心質(zhì)量m1和m2，這附加質(zhì)量形成的力偶等于50%的往復(fù)力偶；在機(jī)體一側(cè)有一條平衡軸，其兩端平衡塊m1′和m2′形成的力偶亦等于50%的往復(fù)力偶；平衡軸和曲軸之間的傳動(dòng)是由曲軸齒輪1經(jīng)齒輪2、3傳至平衡軸齒輪4的，齒輪1與齒輪4的轉(zhuǎn)速相等。
專利摘要一種多缸柴油機(jī)平衡裝置，最適用于雙缸和三缸四沖程柴油機(jī)往復(fù)力偶的平衡，也適用于未平衡的二沖程柴油機(jī)的改造。其原理是在曲軸兩端附加適當(dāng)?shù)钠馁|(zhì)量，使曲軸形成一組附加力偶，其力矩足以平衡50％的往復(fù)力偶；再設(shè)置一條與凸輪軸平行、轉(zhuǎn)速與曲軸相等而轉(zhuǎn)向相反的平衡軸，其兩端平衡塊形成的力偶亦足以平衡50％的往復(fù)力偶。同時(shí)，平衡軸的水平力偶與曲軸附加的水平力偶彼此指向相反而力矩相等，從而保證了柴油機(jī)橫向平衡。
文檔編號(hào)F16F15/22GK2035817SQ8820740
公開(kāi)日1989年4月12日 申請(qǐng)日期1988年6月18日 優(yōu)先權(quán)日1988年6月18日
發(fā)明者史玉璉 申請(qǐng)人:史玉璉