直列兩缸發(fā)動機(jī)曲軸平衡系統(tǒng)、方法以及發(fā)動機(jī)和汽車的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)動機(jī)曲軸平衡技術(shù)，尤其涉及一種直列兩缸發(fā)動機(jī)曲軸平衡系統(tǒng)、直列兩缸發(fā)動機(jī)曲軸平衡方法、直列兩缸發(fā)動機(jī)以及汽車。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)動機(jī)是汽車的心臟，它為汽車行駛提供了必要的動力，因此其重要性是不言而喻的。然而，發(fā)動機(jī)的開發(fā)設(shè)計需要投入大量的人力、物力，并且研發(fā)周期長、費用高。在一個系列發(fā)動機(jī)的開發(fā)過程中，為了降低成本并且保證活塞及連桿的適用性，有必要通過針對曲軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計來實現(xiàn)適合于相同系列其它發(fā)動機(jī)的開發(fā)，以便滿足軸系發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)的設(shè)計要求。此外，直列兩缸發(fā)動機(jī)中的單平衡軸機(jī)構(gòu)在工作過程中會產(chǎn)生傾倒力矩，這就對發(fā)動機(jī)的運轉(zhuǎn)造成了不利影響，增大了發(fā)動機(jī)的振動，降低了它的耐久性。另夕卜，由于直列兩缸發(fā)動機(jī)曲軸箱的內(nèi)部空間有限，因此如何將現(xiàn)有的曲軸、皮帶輪、飛輪、平衡軸等零部件進(jìn)行優(yōu)化布置來實現(xiàn)整體平衡是存在相當(dāng)大難度的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種直列兩缸發(fā)動機(jī)曲軸平衡系統(tǒng)、直列兩缸發(fā)動機(jī)曲軸平衡方法、直列兩缸發(fā)動機(jī)以及汽車，從而能夠有效解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述及其他方面的問題。
[0004]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
一種直列兩缸發(fā)動機(jī)曲軸平衡系統(tǒng)，其包括曲軸、與所述曲軸平行設(shè)置且與之轉(zhuǎn)速相等但轉(zhuǎn)向相反的平衡軸、設(shè)于曲軸的前端軸上的皮帶輪、以及設(shè)于曲軸后端的飛輪，所述曲軸、平衡軸、皮帶輪和飛輪被設(shè)置成:
a.通過由所述曲軸、皮帶輪和飛輪所共同提供的不平衡力F。來平衡掉所述直列兩缸發(fā)動機(jī)中活塞連桿總成的往復(fù)慣性力的50%以及所述活塞連桿總成的全部離心慣性力；并且
b.通過由所述平衡軸所產(chǎn)生的不平衡力Fb來平衡掉所述活塞連桿總成的往復(fù)慣性力的 50%ο
[0005]在上述的直列兩缸發(fā)動機(jī)曲軸平衡系統(tǒng)中，可選地，所述活塞連桿總成中的活塞采用偏心式布置方式，即所述活塞的軸線與坐標(biāo)系中X軸的交點不與坐標(biāo)原點O重合，所述坐標(biāo)系由X軸、Y軸和坐標(biāo)原點O構(gòu)成，其中坐標(biāo)原點O為曲軸旋轉(zhuǎn)中心與直列兩缸發(fā)動機(jī)中第二氣缸的缸體中心線的交點，X軸方向為從坐標(biāo)原點O沿著曲軸的旋轉(zhuǎn)中心線指向曲軸的小頭端，Y軸方向為從坐標(biāo)原點O沿著第二氣缸的缸體中心線指向活塞，并且所述曲軸、皮帶輪、飛輪和平衡軸被設(shè)置成滿足以下關(guān)系式:
Max (Fc+Fb) = 2mjr ω 2+2mrr ω2
其中=Max(FJFb)表示由所述曲軸、皮帶輪、飛輪和平衡軸所共同提供的最大不平衡力；
HiJ, mr分別表示單缸活塞連桿總成的往復(fù)質(zhì)量、單缸曲柄機(jī)構(gòu)的離心質(zhì)量，此時將單缸活塞連桿總成的質(zhì)心設(shè)定在活塞銷中心上，并且將單缸曲柄機(jī)構(gòu)的質(zhì)心設(shè)定在曲柄銷中心;
r表示曲柄半徑；以及 ω表示單缸曲柄機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角速度。
[0006]一種直列兩缸發(fā)動機(jī)曲軸平衡系統(tǒng)，其包括曲軸、與所述曲軸平行設(shè)置且與之轉(zhuǎn)速相等但轉(zhuǎn)向相反的平衡軸、設(shè)于曲軸的前端軸上的皮帶輪、以及設(shè)于曲軸后端的飛輪，所述曲軸、平衡軸、皮帶輪和飛輪被設(shè)置成:通過由所述曲軸、皮帶輪和飛輪所共同提供的不平衡力F。來平衡掉所述直列兩缸發(fā)動機(jī)中活塞連桿總成的往復(fù)慣性力的50%以及所述活塞連桿總成的全部離心慣性力。
[0007]—種直列兩缸發(fā)動機(jī),所述直列兩缸發(fā)動機(jī)上設(shè)置有如以上任一項所述的直列兩缸發(fā)動機(jī)曲軸平衡系統(tǒng)。
[0008]一種汽車，所述汽車上設(shè)置有如以上所述的直列兩缸發(fā)動機(jī)。
[0009]—種直列兩缸發(fā)動機(jī)曲軸平衡方法，所述直列兩缸發(fā)動機(jī)中設(shè)有曲軸、與所述曲軸平行設(shè)置且與之轉(zhuǎn)速相等但轉(zhuǎn)向相反的平衡軸、設(shè)于曲軸的前端軸上的皮帶輪、以及設(shè)于曲軸后端的飛輪，所述直列兩缸發(fā)動機(jī)曲軸平衡方法包括:
通過布置所述曲軸、皮帶輪和飛輪，使得由它們所共同提供的不平衡力F。平衡掉所述直列兩缸發(fā)動機(jī)中活塞連桿總成的往復(fù)慣性力的50%以及所述活塞連桿總成的全部離心慣性力；并且
通過布置所述平衡軸，使得由其所產(chǎn)生的不平衡力Fb平衡掉所述活塞連桿總成的往復(fù)慣性力的50%。
[0010]在上述的直列兩缸發(fā)動機(jī)曲軸平衡方法中，可選地，將所述活塞連桿總成中的活塞布置成偏心式，即使得所述活塞的軸線與坐標(biāo)系中X軸的交點不與坐標(biāo)原點O重合，所述坐標(biāo)系由X軸、Y軸和坐標(biāo)原點O構(gòu)成，其中坐標(biāo)原點O為曲軸旋轉(zhuǎn)中心與直列兩缸發(fā)動機(jī)中第二氣缸的缸體中心線的交點，X軸方向為從坐標(biāo)原點O沿著曲軸的旋轉(zhuǎn)中心線指向曲軸的小頭端，Y軸方向為從坐標(biāo)原點O沿著第二氣缸的缸體中心線指向活塞，并且將所述曲軸、皮帶輪、飛輪和平衡軸布置成滿足以下關(guān)系式:
Max (Fc+Fb) = 2mjr ω 2+2mrr ω2
其中=Max(FJFb)表示由所述曲軸、皮帶輪、飛輪和平衡軸所共同提供的最大不平衡力；
HiJ, mr分別表示單缸活塞連桿總成的往復(fù)質(zhì)量、單缸曲柄機(jī)構(gòu)的離心質(zhì)量，此時將單缸活塞連桿總成的質(zhì)心設(shè)定在活塞銷中心上，并且將單缸曲柄機(jī)構(gòu)的質(zhì)心設(shè)定在曲柄銷中心；
r表示曲柄半徑；以及 ω表示單缸曲柄機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角速度。
[0011]一種直列兩缸發(fā)動機(jī)曲軸平衡方法，所述直列兩缸發(fā)動機(jī)中設(shè)有曲軸、與所述曲軸平行設(shè)置且與之轉(zhuǎn)速相等但轉(zhuǎn)向相反的平衡軸、設(shè)于曲軸的前端軸上的皮帶輪、以及設(shè)于曲軸后端的飛輪，所述直列兩缸發(fā)動機(jī)曲軸平衡方法包括:通過布置所述曲軸、皮帶輪和飛輪，使得由它們所共同提供的不平衡力F。平衡掉所述直列兩缸發(fā)動機(jī)中活塞連桿總成的往復(fù)慣性力的50%以及所述活塞連桿總成的全部離心慣性力。
[0012]本發(fā)明的有益效果在于:采用本發(fā)明可以在過重的活塞連桿總成下有效實現(xiàn)曲軸系統(tǒng)平衡，并且不會增加曲軸箱的體積，不會擴(kuò)大發(fā)動機(jī)的整機(jī)占用空間。在本發(fā)明的直列兩缸發(fā)動機(jī)曲軸平衡系統(tǒng)以及方法中，平衡掉活塞連桿總成的一半往復(fù)慣性力和活塞連桿總成的全部離心慣性力是由曲軸、皮帶輪和飛輪三個部件來完成的，而平衡掉活塞連桿總成的另一半往復(fù)慣性力是由平衡軸來完成的。此外，通過針對活塞連桿總成中的活塞進(jìn)行偏心設(shè)計，還可以有效減小單平衡軸機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的傾倒力矩，從而能夠減少發(fā)動機(jī)的振動，提高發(fā)動機(jī)的耐久性。
【附圖說明】
[0013]以下將結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0014]圖1至圖5是用于說明本發(fā)明設(shè)計原理的示意圖。
[0015]圖6是本發(fā)明的直列兩缸發(fā)動機(jī)曲軸平衡系統(tǒng)一個實施例中皮帶輪、飛輪、曲軸等的結(jié)構(gòu)布置示意圖。
[0016]圖7對比顯不出了在本發(fā)明的直列兩缸發(fā)動機(jī)曲軸平衡系統(tǒng)實施例中米用非偏心式和偏心式曲柄連桿結(jié)構(gòu)所分別產(chǎn)生的復(fù)合傾倒力矩曲線。
【具體實施方式】
[0017]需要說明的是，以下將以示例方式來具體說明本發(fā)明的直列兩缸發(fā)動機(jī)曲軸平衡系統(tǒng)及方法、直列兩缸發(fā)動機(jī)以及汽車的原理、特點以及優(yōu)點，然而所有的描述僅是用來進(jìn)行說明的，而不應(yīng)將它們理解為對本發(fā)明形成任何的限制。此外，在本文所提及的各實施例中予以描述或隱含的任意單個技術(shù)特征，或者被顯示或隱含在各附圖中的任意單個技術(shù)特征，仍然可以在這些技術(shù)特征(或其等同物)之間繼續(xù)進(jìn)行任意組合或者刪減，從而獲得可能未在本文中直接提及的本發(fā)明的更多其他實施例。
[0018]總體而言，本發(fā)明首先提供了一種直列兩缸發(fā)動機(jī)曲軸平衡系統(tǒng)，它包括曲軸、平衡軸、皮帶輪和飛輪，其中平衡軸與曲軸平行設(shè)置并且與曲軸的轉(zhuǎn)速相等但轉(zhuǎn)向相反，皮帶輪和飛輪分別設(shè)置在曲軸的前端軸上和曲軸后端，并且上述的曲軸、皮帶輪和飛輪被設(shè)置成通過由它們一起共同提供的不平衡力平衡掉直列兩缸發(fā)動機(jī)中活塞連桿總成的一半往復(fù)慣性力以及活塞連桿總成的全部離心慣性力。同時，使得平衡軸被設(shè)置成由其所產(chǎn)生的不平衡力平衡掉活塞連桿總成的另一半往復(fù)慣性力，由此實現(xiàn)了曲軸系統(tǒng)的整體平衡；或者，在整體上僅需要直列兩缸發(fā)動機(jī)曲軸平衡系統(tǒng)平衡掉活塞連桿總成的一半往復(fù)慣性力時，可以完全通過對曲軸、皮帶輪和飛輪進(jìn)行設(shè)置來實現(xiàn)，而不必再對平衡軸進(jìn)行上述設(shè)置。
[0019]下面將先通過圖1至圖5以示例方式來具體說明本發(fā)明的設(shè)計原理和思路，在這個示例中活塞連桿總成中的活塞采用了偏心式布置方式。首先，介紹在以下說明過程中將要使用到的坐標(biāo)系XOY的設(shè)定情況。如圖1等附圖所示，該坐標(biāo)系由坐標(biāo)原點0、X軸和Y軸構(gòu)成，其中坐標(biāo)原點O為曲軸旋轉(zhuǎn)中心與直列兩缸發(fā)動機(jī)中第二氣缸的缸體中心線的交點，X軸方向為從坐標(biāo)原點O沿著曲軸的旋轉(zhuǎn)中心線指向曲軸的小頭端，Y軸方向為從坐標(biāo)原點O沿著第二氣缸的缸體中心線指向活塞。
[0020]請參考圖1，以下詳細(xì)說明直列兩缸發(fā)動機(jī)中活塞連桿總成的往復(fù)慣性力和離心慣性力的計算。
[0021]如圖1至圖5所示，活塞連桿總成的往復(fù)慣性力為:
Fj=2nijr ω 2cos a +2nij λ r ω2 cos2 α 2πι, ω2 cos α其中，匕表示單缸活塞連桿總成的往復(fù)慣性力；
IHj表示單缸活塞連桿總成的往復(fù)質(zhì)量，該單缸活塞連桿總成是沿著氣缸中心O'直線運動，并且將其質(zhì)心設(shè)定在活塞銷中心；r表示曲柄半徑；
入表示曲柄連桿比，即曲柄半徑r與連桿中心矩L的比值； ω表示單缸曲柄機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角速度；
α表示為單缸曲柄機(jī)構(gòu)的離心力^與Y軸之間夾角，在圖2至圖5中分別圖示出了
O?！处?彡 90。、90。<α 彡 180。,180° <α 彡 270。以及 270。<α 彡 360。的情形。
[0022]另外，需要說明的是，由于在本文提到的直列兩缸發(fā)動機(jī)僅有單平衡軸機(jī)構(gòu)，因而無法平衡二階往復(fù)慣性力，并且由于該二階往復(fù)慣性力僅為一階往復(fù)慣性力的1/3，因此在計算時可忽略而不必考慮二階往復(fù)慣性力。
[0023]如圖1至圖5所示，活塞連桿總成的離心慣性力為:
Fr= 2mrr ω2
其中，F(xiàn)r表示單缸曲柄機(jī)構(gòu)的離心力；
mr表示單缸曲柄機(jī)構(gòu)的離心質(zhì)量，該單缸曲柄機(jī)構(gòu)的質(zhì)心設(shè)定在曲柄銷中心。
[0024]在給出的示例中，由曲軸、飛輪和皮帶輪所組成的曲軸軸系的不平衡力在圖面中用F。進(jìn)行表示，