Коленчатый вал уменьшенной массы
Предоставляется коленчатый вал для двигателя, имеющего нечетное количество цилиндров. В одном примере коленчатый вал включает центральную шейку, соединяющую первый и второй асимметричные противовесы, и пару шеек, соединяющих щеки без противовесов. Коленчатый вал может улучшить уравновешенность двигателя, по меньшей мере, при некоторых условиях.
Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящее изобретение относится к коленчатым валам уменьшенной массы.
Уровень техники
Может быть желательно уменьшить массу и инерцию вращения коленчатого вала транспортного средства, чтобы увеличить эффективность транспортного средства. Кроме того, двигатель может быть способен вращаться на больших оборотах двигателя, когда инерция вращения коленчатого вала уменьшается. Однако когда масса и инерция вращения коленчатого вала уменьшаются, могут пострадать основополагающие конструктивные характеристики, такие как равновесие коленчатого вала и несущая способность. Кроме того, при уменьшении массы коленчатого вала может ухудшиться способность коленчатого вала преобразовывать возвратно-поступательные силы от поршней и шатунов в силы вращения. Поэтому при уменьшении массы коленчатого вала может сокращаться эксплуатационный срок службы коленчатого вала. Кроме того, шум двигателя, вибрация и низкочастотная вибрация (NVH) также могут ухудшаться при уменьшении массы коленчатого вала.
Коленчатый вал для 6-цилиндрового V-образного двигателя раскрывается в US 4 730 512. В частности, описывается коленчатый вал, имеющий уменьшенное количество противовесов. Равновесие коленчатого вала предположительно поддерживается регулированием положений остающихся противовесов. Изобретатель признал различные недостатки вышеупомянутого коленчатого вала. Например, выравнивание и распределение противовесов, раскрытые в US 4 730 512, не могут применяться к другим конструкциям двигателей, таким как конструкции с однорядным или горизонтальным расположением цилиндров.
Раскрытие полезной модели
Таким образом, в этом документе описываются различные примеры систем и подходов. В одном примере предоставляется коленчатый вал для двигателя. Коленчатый вал включает центральную шейку, соединяющую первый и второй противовесы; каждый из противовесов является асимметричным относительно плоскости, радиально выровненной с центральной осью центральной шейки и осью вращения коленчатого вала. Центральная шейка размещается между первым набором внешних шеек, первая внешняя шейка первого набора внешних шеек соединяется с первой парой щек, а вторая внешняя шейка первого набора внешних шеек соединяется со второй парой щек.
Таким образом, масса коленчатого вала может быть уменьшена по сравнению с коленчатыми валами, имеющими один или больше противовесов, соответствующих каждому цилиндру двигателя. Описанный коленчатый вал может, в частности, быть полезным для однорядных двигателей, поскольку могут поддерживаться основополагающие свойства конструкции. Например, поскольку коленчатый вал хорошо сбалансирован, двигатель может работать на больших оборотах. Кроме того, поскольку равновесие коленчатого вала достигается без уменьшения массы несущих частей коленчатого вала, коленчатый вал может работать с нагрузками, подобными нагрузкам более тяжелых коленчатых валов. Следовательно, для повышения эффективности двигателя и транспортного средства, предоставляется коленчатый вал с меньшей инерцией вращения. Кроме того, поскольку при изготовлении коленчатого вала используется меньше материала, могут быть уменьшены затраты на производство коленчатого вала. Также во время производства коленчатого вала может потребоваться меньше обработки.
Это краткое описание предоставлено для ознакомления с набором концепций в упрощенной форме, которые описываются далее в подробном описании ниже. Это краткое описание не предназначено ни для определения основных характеристик или существенных признаков заявляемого объекта изобретения, ни для использования с целью ограничения объема заявляемого объекта изобретения. Кроме того, заявляемый объект изобретения не ограничивается осуществлениями, которые исключают один или все недостатки, указанные в любой части этого раскрытия изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 и 2 представляют собой схематические изображения двигателя внутреннего сгорания.
Фиг.3 представляет собой изображение коленчатого вала для двигателя, показанного на Фиг.1 и 2, выполненное приблизительно в масштабе.
Фиг.4 представляет собой общий вид коленчатого вала, показанного на Фиг.3, выполненный приблизительно в масштабе.
Фиг.5-12 представляют собой различные виды сбоку в поперечном сечении шеек, щек и противовесов, включенных в коленчатый вал, показанный на Фиг.3, выполненные приблизительно в масштабе.
Фиг.13 представляет собой схему, отображающую уравновешивание в коленчатом вале, показанном на Фиг.3.
Осуществление полезной модели
В данном документе раскрывается коленчатый вал, имеющий уменьшенное количество противовесов, для двигателя, имеющего нечетное количество цилиндров. Коленчатый вал может включать набор внешних шеек, в котором центральная шейка соединена с первым и вторым противовесами, скомпонованными так, чтобы, по меньшей мере, частично противодействовать силам, порождаемым посредством внешних шеек, связанных щек и шатунов, соединенных с внешними шейками. Таким образом, вес коленчатого вала может быть уменьшен с сохранением основополагающих свойств конструкции коленчатого вала, таких как равновесие коленчатого вала. Следовательно, может быть увеличена эффективность коленчатого вала, тем самым увеличивая эффективность транспортного средства без ухудшения прочности и долговечности коленчатого вала.
Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение двигателя, а Фиг.2 представляет собой схематическое изображение транспортного средства, которое включает двигатель, показанный на Фиг. 1. Фиг.3 и 4 представляют собой изображения примера коленчатого вала, который может включаться в транспортное средство, показанное на Фиг.2, согласно варианту осуществления данного раскрытия изобретения. Фиг.5-12 представляют собой различные изображения в поперечном сечении коленчатого вала, показанного на Фиг.3 и 4. Фиг.13 представляет собой схематическое изображение щек и противовесов, включенных в коленчатый вал, показанный на Фиг.3.
Обращаясь к Фиг.1, двигатель 10 внутреннего сгорания, содержащий множество цилиндров, один цилиндр из которых показан на Фиг.1, контролируется электронным контроллером 12 двигателя. Двигатель 10 включает камеру сгорания 30 и стенки цилиндра 32 с поршнем 36, размещенным в них и соединенным с коленчатым валом 40. Камера сгорания 30 показана сообщающейся с впускным коллектором 44 и выпускным коллектором 48 при помощи соответствующих впускного клапана 52 и выпускного клапана 54. Каждый впускной и выпускной клапан может приводиться в действие впускным кулачком 51 и выпускным кулачком 53. Кроме того, один или больше из впускных и выпускных клапанов может приводиться в действие управляемой электромеханическим способом обмоткой клапана и якорем в сборе. Положение впускного кулачка 51 может определяться датчиком 55 впускного кулачка. Положение выпускного кулачка 53 может определяться датчиком 57 выпускного кулачка.
Впускной коллектор 44 также показан между впускным клапаном 52 и воздухозаборной трубой 42. Топливо доставляется к топливному инжектору 66 топливной системой (не показана), включающей топливный бак, топливный насос и распределитель для топлива (не показаны). Двигатель 10 с Фиг.1 спроектирован так, что топливо впрыскивается прямо в цилиндр двигателя, что известно специалистам в данной области техники как непосредственный впрыск. Топливный инжектор 66 питается рабочим током от привода 68, который реагирует на контроллер 12. Кроме того, впускной коллектор 44 показан сообщающимся с опционным электронным дросселем 62 с дроссельной заслонкой 64. В одном примере может использоваться система непосредственного впрыска низким давлением, где давление топлива может быть увеличено примерно до 20-30 бар. В другом случае может использоваться двухступенчатая топливная система высокого давления, чтобы создавать более высокое топливное давление.
Система зажигания 88 без распределителя обеспечивает искру зажигания для камеры сгорания 30 посредством свечи зажигания 92 в ответ на контроллер 12. Однако в других примерах может применяться воспламенение сжатием, чтобы воспламенять воздушно-топливную смесь в камере сгорания 30. Датчик 126 общего содержания кислорода в выхлопных газах (Universal Exhaust Gas Oxygen, UEGO) показан присоединенным к выпускному коллектору 48 выше каталитического преобразователя 70. В другом случае датчик 126 UEGO может быть заменен на двухступенчатый датчик кислорода в выхлопных газах.
В одном примере преобразователь 70 может включать большое количество каталитических блоков. В другом примере может использоваться большое количество устройств снижения токсичности отработавших газов, каждое с множеством блоков. В одном примере преобразователь 70 может быть трехкомпонентным нейтрализатором.
Контроллер 12 показан на Фиг.1 как обычный микрокомпьютер, включающий: микропроцессор 102, порты 104 ввода-вывода, ПЗУ 106, ОЗУ 108, энергонезависимую память 110 и обычную шину данных. Контроллер 12 показан принимающим различные сигналы от датчиков, подключенных к двигателю 10, в дополнение к ранее обговоренным сигналам, включая: температуру охлаждающей жидкости двигателя (ЕСТ) от датчика 112 температуры, подключенного к рукаву 114 охлаждения; данные датчика 134 положения, подключенного к педали 130 газа для определения силы, прилагаемой ногой 132; измерения давления коллектора двигателя (MAP) от датчика 122 давления, подключенного к впускному коллектору 44; данные о положении двигателя от датчика 118 на эффекте Холла, определяющего положение коленчатого вала 40; замер массы воздуха, входящей в двигатель, от датчика 120; и замер положения дросселя от датчика 58. Барометрическое давление также может определяться (датчик не показан) для обработки контроллером 12. В предпочтительном аспекте данного описания датчик 118 положения двигателя вырабатывает предопределенное количество равноотстоящих импульсов за каждый поворот коленчатого вала, из чего может определяться число оборотов двигателя (RPM).
Во время работы каждый цилиндр в двигателе 10, как правило, проходит четырехтактный цикл: цикл включает такт впуска, такт сжатия, такт расширения и такт выхода. Во время такта впуска обычно выпускной клапан 54 закрывается, а впускной клапан 52 открывается. Воздух вводится в камеру сгорания 30 через впускной коллектор 44, и поршень 36 двигается вниз цилиндра, чтобы увеличить объем в камере сгорания 30. Положение, в котором поршень 36 находится возле дна цилиндра и в конце его такта (например, когда камера сгорания 30 имеет наибольший объем), специалистами в данной области техники обычно называется «нижняя мертвая точка» (НМТ). Во время такта сжатия впускной клапан 52 и выпускной клапан 54 закрыты. Поршень 36 двигается по направлению к головке цилиндра, чтобы сжать воздух в камере сгорания 30. Точка, в которой поршень 36 находится в конце своего цикла и ближе всего к головке цилиндра (например, когда камера сгорания 30 имеет наименьший размер), специалистами в данной области техники обычно называется «верхняя мертвая точка» (ВМТ). В процессе, далее называемом впрыскиванием, в камеру сгорания подается топливо. В процессе, далее называемом зажиганием, топливо воспламеняется известным устройством зажигания, таким как свеча 92 зажигания, вызывая сгорание. Во время такта расширения расширяющиеся газы толкают поршень 36 обратно к НМТ. Коленчатый вал 40 преобразует движение поршня в крутящий момент вращающегося вала. Наконец, во время такта выпуска, выпускной клапан 54 открывается, чтобы выпустить сжатую воздушно-топливную смесь в выпускной коллектор 48, и поршень возвращается в ВМТ. Обратите внимание, что вышеуказанное приведено только в качестве примера и что сроки открытия и (или) закрытия впускного и выпускного клапанов могут разниться, так чтобы обеспечивать положительное или отрицательное перекрытие клапанов, позднее закрытие впускного клапана, или в различных других примерах.
В одном варианте осуществления датчик положения запуск/останов кривошипа имеет и нулевую скорость, и способность измерения в двух направлениях. В некоторых применениях может использоваться двунаправленный датчик Холла, а в других на объект могут устанавливаться магниты. Магниты могут быть помещены на объект и «промежуток отсутствующего сигнала» потенциально может быть устранен, если датчик способен определить изменения в амплитуде сигнала (например, использовать более сильный или более слабый магнит для определения особого положения на колесе). Кроме того, при использовании двунаправленного датчика Холла или аналога положение двигателя может поддерживаться во время выключения, но во время перезапуска может использоваться альтернативная стратегия, чтобы гарантировать, что двигатель вращается в прямом направлении.
Фиг.2 представляет собой схематическое изображение транспортного средства 200, которое может включать двигатель 10, показанный на Фиг.1. Двигатель может включать 5 цилиндров (202, 204, 206, 208 и 210). Цилиндры располагаются в однорядной конфигурации, в которой центральная ось каждого цилиндра пересекает ось выравнивания. Будет понятно, что цилиндры могут разделять один блок двигателя и картер двигателя. Хотя представлен двигатель с пятью цилиндрами, будет понятно, что в других вариантах осуществления могут применяться другие двигатели с нечетным числом цилиндров.
Каждый цилиндр содержит совершающий возвратно-поступательное движение поршень, который может оперативно соединяться с коленчатым валом 40 посредством соответствующего шатуна 214. Один конец коленчатого вала соединяется с маховиком 218. Маховик может использоваться как накопительное устройство для энергии вращения. Будет понятно, что для содействия вращению к коленчатому валу могут быть присоединены два или больше подшипников.
Коленчатый вал 40 уменьшенной массы может быть сбалансирован таким образом, чтобы уменьшить нагрузку на подшипник, присоединенный к коленчатому валу, а также шум, вибрацию и низкочастотную вибрацию, порождаемые коленчатым валом. Как обсуждается более подробно в этом документе, количество противовесов может быть уменьшено в коленчатом вале, по сравнению с коленчатым валом, имеющим один или больше противовесов, соответствующих каждому цилиндру двигателя и шейке кривошипа. Несмотря на то что количество противовесов уменьшается, противовес коленчатого вала поддерживается. Таким образом, эффективность привода на ведущие колеса может быть увеличена, а вес привода может быть уменьшен, благодаря чему увеличивается производительность транспортного средства и экономия топлива. Кроме того, будет понятно, что затраты на производство привода могут быть уменьшены за счет уменьшения использования материалов, необходимых для ковки или отливки коленчатого вала, а также за счет уменьшения затрат на обработку коленчатого вала.
Как показано, двигатель ориентирован перпендикулярно относительно оси вращения колес. Другими словами, главная инерционная ось коленчатого вала может быть ориентирована в направлении главной инерционной оси трансмиссии. Однако в других вариантах осуществления возможны отличные ориентации. Например, двигатель может быть параллельным оси вращения колес.
Во время работы энергия может передаваться от поршней к коленчатому валу. Следовательно, энергия вращения от коленчатого вала может передаваться на ведущее колесо 222 посредством маховика 218 и трансмиссии 220. А ведущее колесо может соприкасаться с поверхностью 224 дороги. Таким образом, транспортное средство может двигаться по поверхности дороги. Хотя показано одно ведущее колесо, будет понятно, что в других вариантах осуществления может применяться множество ведущих колес.
Двигатель 10 может быть сконфигурирован, чтобы начинать сгорание в цилиндрах в следующем порядке: цилиндр 202, цилиндр 204, цилиндр 208, цилиндр 210 и цилиндр 206. Будет понятно, что этот порядок зажигания может уменьшать вибрацию и усталость двигателя. Однако в других вариантах осуществления могут применяться другие порядки зажигания.
Фиг.3 представляет собой вид сбоку коленчатого вала 300. Коленчатый вал 300 может быть коленчатым валом 40, показанным на Фиг.1 и 2. Коленчатый вал, изображенный на Фиг.3, может применяться в двигателе, который имеет однорядную конфигурацию, в которой цилиндры располагаются в один ряд. Другими словами, прямая линия проходит через центр каждого цилиндра.
Коленчатый вал включает переднюю часть 302. Коленчатый вал также включает заднюю часть, которая включает фланец 304, сконфигурированный для того, чтобы прикрепляться к маховику 218. Таким образом, энергия вращения, порождаемая сгоранием, может передаваться поршням, коленчатому валу, маховику и т.д., тем самым обеспечивая движущую силу транспортному средству.
Коленчатый вал вращается вокруг центральной оси 306 вращения. Коленчатый вал также включает множество шеек, цапф, щек и противовесов. Каждая цапфа выровнена относительно центральной оси 306 вращения. Цапфы присоединяют щеки к противовесам, тогда как шейки соединяют пары щек и (или) противовесов. Каждая шейка присоединяется к поршню посредством шатуна (не показан). Каждая цапфа может по оси выравниваться относительно центральной оси вращения.
В частности, коленчатый вал 300 включает центральную шейку 308, соединяющую первый противовес 309 и второй противовес 310. Первый и второй противовесы могут называться центральной парой противовесов. Первый противовес соединен с цапфой 311, а второй противовес соединен с цапфой 312. Цапфы 311 и 312 могут называться первым набором цапф. Кроме того, и первый, и второй противовесы являются асимметричными относительно плоскости, радиально выровненной с центральной осью центральной шейки и осью вращения коленчатого вала, что более подробно обсуждается в этом документе со ссылками на Фиг.8 и 9. Центральная пара щек 313 может соединяться с центральной шейкой 308 и первым и вторым противовесами (309 и 310). Центральная пара щек 313 соединяет цапфы (311 и 312) с центральной шейкой 308. Центральная пара щек 313 не создает никакого существенного противовеса центральной шейке.
Коленчатый вал 300 также включает первый набор внешних шеек. Центральная шейка и соответствующие первый и второй противовесы размещаются между первым набором внешних шеек. Другими словами, первая и вторая внешние шейки скрепляют центральную шейку, первый противовес и второй противовес. Первый набор внешних шеек включает первую внешнюю шейку 314 и вторую внешнюю шейку 316. Первая внешняя шейка 314 и вторая внешняя шейка 316 в значительной мере равноудалены в направлении оси от центральной шейки. Другими словами, каждая шейка в первом наборе внешних шеек равноудалена по оси от центральной шейки 308. Первая внешняя шейка 314 соединяется с парой соответствующих щек 318. Аналогично вторая внешняя шейка 316 соединяется с парой соответствующих щек 320. Самая внутренняя щека, включенная в пару щек 318, соединяется с цапфой 312. Так же самая внутренняя щека, включенная в пару щек 320, соединяется с цапфой 311. Кроме того, самая крайняя щека, включенная в пару щек 318, соединяется с цапфой 322, а самая крайняя щека, включенная в пару щек 320, соединяется с цапфой 323. Цапфы 322 и 323 могут называться вторым набором цапф. Будет понятно, что пары щек 318 и 320 не создают какого-либо существенного противовеса первой и второй внешним шейкам. То есть щеки, непосредственно соединенные с первым набором внешних шеек, не создают противовеса первому набору внешних шеек. Другими словами, пары щек 318 и 320 являются отсутствующими противовесами. Будет понятно, что в некоторых вариантах осуществления пары щек, непосредственно соединенных с первой и второй внешними шейками, являются сходными по размеру и форме.
Коленчатый вал 300 также включает второй набор внешних шеек. Первый набор внешних шеек размещается между вторым набором внешних шеек. Второй набор внешних шеек включает третью внешнюю шейку 324 и четвертую внешнюю шейку 326. Третья внешняя шейка 324 и четвертая внешняя шейка 326 в значительной мере равноудалены в направлении оси от центральной шейки. Пара щек 327 соединяется с третьей внешней шейкой 324. Кроме того, третий противовес 328 и четвертый противовес 329 соединяются с парой щек 327. Аналогично, пара щек 330 соединяется с четвертой внешней шейкой 326. Кроме того, пятый противовес 331 и шестой противовес 332 соединяются с парой щек 330. Третий противовес 328 соединяется с цапфой 322. Четвертый противовес 329 соединяется с цапфой 333. Пятый противовес 331 соединяется с цапфой 334, а шестой противовес 332 соединяется с цапфой 323. Цапфы 333 и 334 могут называться третьим набором цапф. Плоскость сечения 350 определяет поперечное сечение, показанное на Фиг.5. Расстояние по оси между секущей плоскостью 350 и цапфой 333, смежной с передней частью 302, может составлять 414 миллиметров (мм). Секущая плоскость 352 определяет поперечное сечение, показанное на Фиг.6. Расстояние по оси между секущей плоскостью 352 и цапфой 333, смежной с передней частью 302, может составлять 378,25 мм. Секущая плоскость 354 определяет поперечное сечение, показанное на Фиг.7. Расстояние по оси между секущей плоскостью 354 и цапфой 333, смежной с передней частью 302, может составлять 331,5 мм. Секущая плоскость 356 определяет поперечное сечение, показанное на Фиг.8. Расстояние по оси между секущей плоскостью 356 и цапфой 333, смежной с передней частью 302, может составлять 244,5 мм. Секущая плоскость 358 определяет поперечное сечение, показанное на Фиг.9. Расстояние по оси между секущей плоскостью 358 и цапфой 333, смежной с передней частью 302, может составлять 204,25 мм. Секущая плоскость 360 определяет поперечное сечение, показанное на Фиг.10. Расстояние по оси между секущей плоскостью 360 и цапфой 333, смежной с передней частью 302, может составлять 157,1 мм. Секущая плоскость 362 определяет поперечное сечение, показанное на Фиг.11. Расстояние по оси между секущей плоскостью 362 и цапфой 333, смежной с передней частью 302, может составлять 70,5 мм. Секущая плоскость 364 определяет поперечное сечение, показанное на Фиг.12. Расстояние по оси между секущей плоскостью 364 и цапфой 333, смежной с передней частью 302, может составлять 30,24 мм.
Два или больше подшипника (не показаны) могут также соединяться с коленчатым валом 300. В частности, подшипник может соединяться с каждым концом коленчатого вала. Кроме того, в некоторых случаях, каждая цапфа может соединяться с взаимодействующим подшипником. Однако в других примерах могут использоваться другие конфигурации подшипников.
Фиг.4 представляет собой вид сбоку коленчатого вала 300. Шейки, включенные в коленчатый вал (например, центральная шейка 308, первая внешняя шейка 314, вторая внешняя шейка 316, третья внешняя шейка 324 и четвертая внешняя шейка 326), могут быть распределены с угловыми промежутками в 72°. Фиг.5 и 6 представляют собой вид сбоку пятого противовеса 331, шестого противовеса 332 и четвертой внешней шейки 326. Пятый противовес 331 соединяется с цапфой 334 и щекой 501. Четвертая внешняя шейка 326 и цапфа 334 также соединяются со щекой 501. Кроме того, шестой противовес 332 соединяется с цапфой 333 и щекой 601. Будет понятно, что второй противовес располагается рядом со второй внешней шейкой 316. Четвертая внешняя шейка 326 и цапфа 333 также соединяются со щекой 601. Щеки 501 и 601 входят в пару 300 щек, показанную на Фиг.3. И пятый, и шестой противовесы (331 и 332) являются асимметричными относительно плоскости, радиально выровненной с центральной осью 603 шейки 326 и осью вращения коленчатого вала. Центр масс пятого противовеса обозначен 510, а центр масс шестого противовеса обозначен 610. Асимметрия шестого противовеса 332 позволяет противовесу противодействовать силам, порождаемым вращением множества шеек (например, второй внешней шейки 316 и четвертой внешней шейки 326), обговариваемых более подробно в этом документе.
Кроме того, пятый противовес 331 и шестой противовес 332 отличаются по форме и радиальному положению. Радиальное положение противовесов может описываться углом разделения, определяемым тремя следующими точками, размещенными на вертикально и поперечно ориентированной плоскости. Первая точка является точкой на оси вращения коленчатого вала, вторая точка является точкой на центральной оси шейки, соединенной с противовесом, а третья точка является центром масс противовеса. Будет понятно, что угол разделения - это один способ измерения центра масс противовесов относительно оси вращения коленчатого вала. Как показано, угол разделения 502 пятого противовеса 331 составляет 161,9°. Кроме того, длина отрезка 504 линии может составлять 44,9 мм. Однако отрезок 504 линии и угол 502 разделения в других примерах могут иметь другие значения. Отрезок 504 линии радиально выровнен и простирается от центральной оси вращения коленчатого вала к центру 510 масс пятого противовеса 331. Следовательно, отрезок 504 линии находится в вертикально и поперечно выровненной плоскости. Кроме того, угол 602 разделения противовеса 332 составляет 170,5°. Также длина отрезка 604 линии может быть 47,6 мм. Однако отрезок 604 линии и угол 602 разделения в других примерах могут иметь другие значения. Отрезок 604 линии радиально выровнен и простирается от центральной оси вращения коленчатого вала к центру 610 масс шестого противовеса 332. Следовательно, отрезок 604 линии находится в вертикально и поперечно выровненной плоскости.
Кроме того, отрезок 506 линии может иметь длину 42,5 мм. В других вариантах осуществления могут использоваться другие длины. Отрезок 506 линии радиально простирается от центральной оси вращения коленчатого вала к центральной оси шейки 326, и в данном документе называется радиусом кривошипа. Радиус кривошипа для всех шеек одинаков. Таким образом, отрезки 606, 806, 906, 1106 и 1206 линии, показанные на Фиг.6, 8, 9, 11 и 12, являются равными по длине отрезку 506 линии.
Будет понятно, что масса и положение центра масс пятого и шестого противовесов (331 и 332) могут быть скомпонованы таким образом, чтобы, по меньшей мере, частично противодействовать силам, порождаемым вращением первой и второй внешних шеек (314 и 316) и соответствующих щек (318 и 320). Таким образом, первый и второй противовесы размещаются и утяжеляются, чтобы, по крайней мере, частично противодействовать силам, порождаемым вращением первого набора внешних шеек и соответствующих пар щек. В этом конкретном варианте осуществления шестой противовес 332 противодействует силам, порождаемым вращением второй внешней шейки 316, а пятый противовес 331 не обеспечивает никакого существенного противовеса второй внешней шейке 316. Кроме того, пятый противовес 331 и шестой противовес 332 обеспечивают противовес силам, порождаемым вращением четвертой внешней шейки 326.
Фиг.7 представляет собой изображение поперечного сечения одной из цапф 323 и щеки 700, входящей в пару щек 320. Будет понятно, что щека 700 соединяется со второй внешней шейкой 316. Кроме того, со второй внешней шейкой может соединяться другая щека, сходная по форме и радиальному направлению на щеку 700.
Фиг.8 представляет собой вид сбоку в поперечном сечении первого противовеса 309. Щека 801 соединяется с цапфой 311 и центральной шейкой 308. Первый противовес 309 соединяется с цапфой 311 и щекой 801. Будет понятно, что первый противовес 309 является смежным со второй внешней шейкой 316. Как показано, угол 802 разделения между центром масс 810 первого противовеса и центральной осью 803 центральной шейки составляет 113,3°. Однако будет понятно, что могут использоваться и другие непрямые углы. Как обсуждалось ранее, угол разделения может быть углом разделения, определяемым следующими тремя точками, размещенными на вертикально и поперечно ориентированной плоскости. Первая точка является точкой на оси вращения коленчатого вала, вторая точка является точкой на центральной оси шейки, соединенной с противовесом, а третья точка является центром масс противовеса. Отрезок 804 линии имеет длину 53,5 мм. Однако в других примерах отрезок 804 линии может иметь другой размер. Отрезок 804 линии радиально выровнен и простирается от центральной оси вращения коленчатого вала до центра 810 масс первого противовеса 309. Таким образом, отрезок 804 линии находится в вертикально и поперечно выровненной плоскости.
Фиг.9 представляет собой вид сбоку в поперечном сечении второго противовеса 310. Щека 901 соединяется с цапфой 312 и центральной шейкой 308. Щеки 801 и 901 входят в пару щек 313, показанную на Фиг.3. Второй противовес 310 соединяется с цапфой 312 и щекой 901. Будет понятно, что второй противовес 310 располагается рядом с первой внешней шейкой 314. Будет понятно, что ни щека 801, ни щека 901 не оказывают никакого существенного противовеса силам, порождаемым вращением центральной шейки 308.
Как показано, угол 904 разделения между центром масс противовеса и центральной осью 803 центральной шейки составляет 103,7°. Отрезок 904 линии имеет длину 53,7 мм. Однако в других примерах отрезок 904 линии может иметь другую длину. Кроме того, в других примерах угол разделения может быть другим непрямым углом. Отрезок 904 линии радиально выровнен и простирается от центральной оси вращения коленчатого вала к центру масс 910 второго противовеса 310. Следовательно, отрезок 904 линии находится в вертикально и поперечно выровненной плоскости.
Будет понятно, что масса и положение центра масс и первого, и второго противовеса (соответственно, 309 и 310) могут быть скомпонованы таким образом, чтобы, по меньшей мере, частично противодействовать силам, порождаемым вращением первого набора внешних шеек и соответствующих шатунов и щек. Так, первый противовес 309 частично противодействует силам, порождаемым вращением второй внешней шейки 316, а второй противовес 310 частично противодействует силам, порождаемым вращением первой внешней шейки 314. Таким образом, третий и четвертый противовесы размещаются и утяжеляются, чтобы, по меньшей мере, частично, противодействовать силам, порождаемым вращением первого набора внешних шеек и первой пары щек. Однако в других примерах второй противовес 310 может частично противодействовать силам, порождаемым вращением второй внешней шейки 316, а первый противовес 309 может частично противодействовать силам, порождаемым вращением первой внешней шейки 314. Также, в других примерах первый и второй противовесы (309 и 310) оба могут противодействовать силам, порождаемым вращением первой внешней шейки 314, равно как и второй внешней шейки 316. Таким образом, масса коленчатого вала уменьшается, одновременно поддерживая равновесие в коленчатом вале. Кроме того, первый и второй противовесы (309 и 310) существенно противодействуют силам, порождаемым вращением центральной шейки 308 и щек 801 и 901. Уравновешивание в коленчатом вале 300 более подробно обсуждается в этом документе применительно к Фиг.13.
Фиг.10 представляет собой вид сбоку в поперечном сечении одной цапфы 312 и самой крайней щеки 1000, входящей в пару щек 318. Будет понятно, что щека 1000 соединяется с первой внешней шейкой 314. Кроме того, другая щека, которая в значительной мере идентична по форме и радиальной ориентации щеке 1000, соединяется со второй внешней шейкой.
Фиг.11 и 12 представляют собой виды сбоку третьего противовеса 328, четвертого противовеса 329 и третьей внешней шейки 324. Щека 1101 соединяется с цапфой 322 и третьей внешней шейкой 324. Третий противовес 328 соединяется со щекой 1101 и цапфой 322. Щека 1201 соединяется с цапфой 333 и третьей внешней шейкой 324. Кроме того, четвертый противовес 329 соединяется со щекой 1201 и цапфой 333. Щеки 1101 и 1201 входят в пару щек 327, показанную на Фиг.3.
И третий противовес 328, и четвертый противовес 329 являются асимметричными относительно плоскости, радиально выровненной с центральной осью 1103 шейки 324 и осью вращения коленчатого вала. Центр масс третьего противовеса 1100 обозначен 1110, а центр масс четвертого противовеса обозначен 1210. Кроме того, третий противовес 328 и четвертый противовес 329 различаются по форме и радиальному положению. Радиальное положение противовесов может характеризоваться углом разделения, определяемым тремя следующими точками, размещенными в вертикально и поперечно ориентированной плоскости. Первая точка является точкой на оси вращения коленчатого вала, вторая точка является точкой, совмещенной в аксиальном направлении с центром шейки, соединенной с противовесом, а третья точка является центром масс противовеса. Как показано, угол 1102 разделения противовеса 1100 составляет 152,5°. Кроме того, длина отрезка 1104 линии может быть 48,6 мм. Однако в других примерах отрезок 1104 линии и угол 1102 разделения могут иметь другие значения. Отрезок 1104 линии радиально выровнен и простирается от центральной оси вращения коленчатого вала к центру 1110 масс третьего противовеса 328. Таким образом, отрезок 1104 линии находится в поперечно и вертикально выровненной плоскости. Кроме того, угол 1202 разделения четвертого противовеса 329 составляет 163,6°. Также длина отрезка 1204 линии может быть 44,4 мм. Однако в других примерах отрезок 1204 линии и угол 1202 разделения могут иметь другие значения. Отрезок 1204 линии радиально выровнен и простирается от центральной оси вращения коленчатого вала к центру 1210 масс четвертого противовеса 329. Таким образом, отрезок 1204 линии находится в вертикально и поперечно выровненной плоскости.
Будет понятно, что масса и положение центра масс и третьего, и четвертого противовеса (328 и 329) могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы, по меньшей мере, частично противодействовать силам, порождаемым вращением первой и второй внешних шеек (314 и 316), соответствующих щек (318 и 320) и соответствующих шатунов. Так, третий противовес 328 может частично противодействовать силам, порождаемым вращением первой внешней шейки 314. В этом примере четвертый противовес 329 может не обеспечивать никакого существенного противовеса силам, порождаемым вращением первой внешней шейки 314. Однако в других примерах четвертый противовес 329 может обеспечивать некоторый противовес силам, порождаемым вращением первой внешней шейки 314. Кроме того, третий и четвертый противовесы (328 и 329) могут противодействовать силам, порождаемым вращением третьей внешней шейки 324.
Фиг.13 представляет собой схему, отображающую уравновешивание в коленчатом вале 300, если на него смотреть в направлении оси. Стрелки указывают направление и величину противовесов в коленчатом вале, а шейки приводятся для ссылки. Стрелки обозначаются цифрами противовесов, которым они соответствуют. Как показано, угол разделения между первым противовесом 309 и вторым противовесом 310 составляет 170,4. Угол разделения между пятым противовесом 331 и четвертым противовесом 329 составляет 178,36°. Угол разделения между шестым противовесом 332 и третьим противовесом 328 составляет 198°. Будет понятно, что в других примерах для вышеуказанных углов разделения могут использоваться другие значения.
Первый противовес 309 и шестой противовес 332 оба могут противодействовать силам, порождаемым вращением второй внешней шейки 316. В этом примере первый противовес 309 и шестой противовес 332 оба противодействуют в значительной мере равной величине сил, порождаемых вращением второй внешней шейки 316. Однако в других примерах первый противовес 309 может противодействовать большей величине сил, порождаемых вращением второй внешней шейки 316, чем шестой противовес 332. Более того, в других примерах шестой противовес 332 может противодействовать большему количеству сил, порождаемых вращением второй внешней шейки 316, чем первый противовес 309.
Так же второй противовес 310 и третий противовес 328 противодействуют силам, порождаемым посредством вращения первой внешней шейки 314. В этом примере второй противовес 310 и третий противовес 328 оба могут противодействовать в значительной мере равному количеству сил, порождаемых вращением первой внешней шейки 314. Однако в других примерах второй противовес 310 может противодействовать большему количеству сил, порождаемых вращением первой внешней шейки 314, чем третий противовес 328. Более того, в других примерах третий противовес 328 может противодействовать большему количеству сил, порождаемых вращением первой внешней шейки 314, чем первый противовес 310. Таким образом, противовесы, которые располагаются рядом с первой и второй внешними шейками, могут противодействовать силам, порождаемым вращением этих шеек.
Конструкция коленчатого вала, описанная выше, позволяет сбалансировать силы, порождаемые вращением шеек в коленчатом вале, одновременно уменьшая вес коленчатого вала по сравнению с коленчатым валом, имеющим два или больше противовеса, соответствующих каждой шейке и, таким образом, цилиндру. Следовательно, эффективность трансмиссии может быть уменьшена путем уменьшения массы коленчатого вала благодаря уменьшению инерции вращения коленчатого вала, увеличивая эффективность транспортного средства.
Будет понятно, что конструкции и (или) подходы, описанные в этом документе, являются иллюстративными по своему характеру, и что эти конкретные варианты осуществления или примеры не должны рассматриваться в ограничительном смысле, поскольку возможны многочисленные изменения. Объект изобретения данного раскрытия включает все новые и неочевидные сочетания и подсочетания различных характеристик, функций, действий и (или) свойств, раскрытых в этом документе, равно как и любые и все их эквиваленты.
1. Коленчатый вал для двигателя, содержащий: центральную шейку, соединяющую первый и второй противовесы; каждый противовес является асимметричным относительно плоскости, радиально выровненной с центральной осью центральной шейки и осью вращения коленчатого вала; и первую внешнюю шейку, соединяющую первую пару щек, и вторую внешнюю шейку, соединяющую вторую пару щек; первая и вторая внешние шейки находятся по бокам центральной шейки.
2. Коленчатый вал по п.1, отличающийся тем, что первая внешняя шейка и вторая внешняя шейка соединены с центральной шейкой, и тем, что первый и второй противовесы размещены между первой парой щек и второй парой щек.
3. Коленчатый вал по п.1, отличающийся тем, что радиальное положение центра масс первого противовеса отличается от радиального положения центра масс второго противовеса.
4. Коленчатый вал по п.3, отличающийся тем, что каждый из первого и второго противовесов имеет центр масс, который радиально размещен под непрямым углом относительно центральной оси центральной шейки и оси вращения коленчатого вала.
5. Коленчатый вал по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит третью внешнюю шейку, соединяющую третий противовес и четвертый противовес, и четвертую внешнюю шейку, соединяющую пятый противовес и шестой противовес, центральную шейку и первую и вторую внешнюю шейки, расположенные между третьей и четвертой внешними шейками.
6. Коленчатый вал по п.5, отличающийся тем, что радиальное положение центра масс пятого противовеса отличается от радиального положения центра масс шестого противовеса, радиальное положение центра масс пятого противовеса и радиальное положение центра масс шестого противовеса измеряются относительно оси вращения коленчатого вала.
7. Коленчатый вал по п.6, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один из третьего, четвертого, пятого или шестого противовесов размещен таким образом, чтобы, по меньшей мере, частично противодействовать силам, порождаемым вращением первой и второй внешних шеек и соответствующих щек.
8. Коленчатый вал по п.5, отличающийся тем, что двигатель выполнен таким образом, чтобы вызывать горение в цилиндрах в следующем порядке: цилиндр, связанный с третьей внешней шейкой, цилиндр, связанный с первой внешней шейкой, цилиндр, связанный со второй внешней шейкой, цилиндр, связанный с четвертой внешней шейкой, и цилиндр, связанный с центральной шейкой.
9. Коленчатый вал по п.1, отличающийся тем, что значение угла разделения между центром масс первого противовеса относительно оси вращения коленчатого вала и центральной осью центральной шейки находится в диапазоне от 170 до 171°.
10. Коленчатый вал по п.1, отличающийся тем, что цилиндры двигателя расположены в однорядной конфигурации, в которой ось проходит через центральную ось каждого цилиндра.
11. Коленчатый вал по п.1, отличающийся тем, что первый противовес, по меньшей мере, частично противодействует силам, порождаемым вращением первой внешней шейки, и является смежным с первой внешней шейкой, а второй противовес, по меньшей мере, частично противодействует силам, порождаемым вращением второй внешней шейки, и является смежным со второй внешней шейкой.
12. Коленчатый вал для двигателя, включающего нечетное число цилиндров в однорядной конфигурации, содержащий: первый набор внешних шеек, включающий первую внешнюю шейку, соединяющую первую пару щек, и вторую внешнюю шейку, соединяющую вторую пару щек; и центральную шейку, соединяющую первый противовес и второй противовес, причем и первый, и второй противовесы являются асимметричными относительно плоскости, радиально выровненной с центральной осью центральной шейки и осью вращения коленчатого вала, первый и второй противовесы размещаются и утяжеляются таким образом, чтобы, по меньшей мере, частично противодействовать силам, порождаемым вращением первого набора внешних шеек и первой пары щек, причем радиальное положение центра масс первого противовеса отличается от радиального положения центра масс второго противовеса, и радиальное положение центра масс первого противовеса и радиальное положение центра масс второго противовеса измеряются относительно оси вращения коленчатого вала.
13. Коленчатый вал по п.12, также содержащий: второй набор внешних шеек, расположенных вдоль длины коленчатого вала и равноудаленных по оси от центральной шейки, причем второй набор внешних шеек включает третью внешнюю шейку, соединяющую третий противовес и четвертый противовес, и четвертую внешнюю шейку, соединяющую пятый противовес и шестой противовес, причем два или больше из третьего, четвертого, пятого и шестого противовесов размещаются и утяжеляются таким образом, чтобы, по меньшей мере, частично противодействовать силам, порождаемым вращением первого набора внешних шеек и соответствующих щек.
14. Коленчатый вал по п.13, отличающийся тем, что первый противовес, смежный с первой внешней шейкой, и третий противовес, смежный с первой внешней шейкой, в значительной мере противодействуют силам, порождаемым вращением первой внешней шейки, а второй противовес, смежный со второй внешней шейкой, и пятый противовес, смежный со второй внешней шейкой, в значительной мере противодействуют силам, порождаемым вращением второй внешней шейки.
15. Коленчатый вал по п.13, отличающийся тем, что третий, четвертый, пятый и шестой противовесы являются асимметричными относительно плоскости, радиально выровненной с центральной осью центральной шейки и осью вращения коленчатого вала, и тем, что каждая шейка, входящая в первый набор внешних шеек, равноудалена от центральной шейки.
16. Коленчатый вал по п.13, отличающийся тем, что угол разделения между центром масс первого противовеса и второго противовеса относительно оси вращения коленчатого вала и центра центральной шейки составляет 113,3°.
17. Коленчатый вал по п.13, отличающийся тем, что первый и второй противовесы имеют непрямой угол разделения, угол разделения является углом между центром масс первого противовеса относительно оси вращения коленчатого вала и центральной оси центральной шейки.
18. Коленчатый вал по п.13, отличающийся тем, что центральная шейка и первый и второй наборы внешних шеек распределены с угловыми интервалами в 72° относительно оси вращения коленчатого вала.
19. Коленчатый вал для двигателя, включающего пять цилиндров в однорядной конфигурации, содержащий: первый набор внешних шеек, включающий первую внешнюю шейку, соединяющую первую пару щек, и вторую внешнюю шейку, соединяющую вторую пару щек, причем первая пара щек и вторая пара щек не содержат противовесов; центральную шейку, соединяющую первый противовес и второй противовес, причем первый и второй противовесы являются асимметричными относительно плоскости, радиально выровненной с центральной осью центральной шейки и осью вращения коленчатого вала, и первый и второй противовесы располагаются между первым набором внешних шеек, при этом первый и второй противовесы размещаются и утяжеляются, чтобы, по меньшей мере, частично противодействовать силам, порождаемым вращением первого набора внешних шеек и первой пары щек, и радиальное положение центра масс первого противовеса отличается от радиального положения центра масс второго противовеса, причем радиальное положение центра масс первого противовеса и радиальное положение центра масс второго противовеса измеряются относительно оси вращения коленчатого вала; первый набор цапф, размещенный вдоль длины коленчатого вала, причем центральная шейка находится между первым набором цапф; и второй набор цапф, размещенный вдоль длины коленчатого вала, причем центральная шейка и первый набор цапф находятся между вторым набором цапф.
20. Коленчатый вал по п.19, отличающийся тем, что первый противовес, смежный с первой внешней шейкой, и третий противовес, смежный с первой внешней шейкой, в значительной мере противодействуют силам, порождаемым вращением первой внешней шейки, а второй противовес, смежный со второй внешней шейкой, и пятый противовес, смежный со второй внешней шейкой, в значительной мере противодействуют силам, порождаемым вращением второй внешней шейки.
21. Коленчатый вал по п.19, отличающийся тем, что первый и второй противовесы отличаются массой.
