专利名称：一种多缸柴油机平衡装置的制作方法
本设计是一种用较简单的机构来平衡多缸柴油机往复力偶的装置，最适用于双缸和三缸四冲程柴油机的平衡，以减轻振动而适应车用动力和移动作业的要求。
近年来国内生产农用运输车极为盛行，所选动力大致为290、295和2100等型柴油机，因此对双缸柴油机要求减振的呼声时有所闻。关于四冲程柴油机的减振问题，目前除单缸机采用双轴平衡(S195型)外，对于双缸和三缸机尚未见闻有何措施。一般说来，双缸和三缸柴油机也采用双轴平衡，其结构是比较复杂的。如欲对现有机型加装双轴平衡，则原结构须作大量更动，看来也不合算。
本装置结构简单，对现有双缸三缸四冲程柴油机改造时，只要在原型机上加装一条与凸轮轴平行的平衡轴，就可收到与双轴平衡同样的减振效果。(请阅下文减振原理。)同时，用本设计改造的柴油机，其外形尺寸完全不变，绝不妨碍对原配车辆的配套。在加工方面，除增加搪平衡轴轴承孔工序外，原有机体加工装备亦完全不变。在改造中，估计重量将增加3%，成本亦将增加3%，改造后的柴油机如作为车用动力，短时功率可增加20%。(因振动减轻，必要时可适当提高转速。)本装置是根据下述原理实现的1.在曲轴两端附加适当的偏心质量，使原已平衡的曲轴在旋转时形成一组附加力偶，这附加力偶的指向与往复力偶相反，其力矩足以平衡50%的往复力偶。
2.在凸轮轴的上方加装一条与其平行(避开气门推杆)的平衡轴，这平衡轴的转速与曲轴相同，而转向与曲轴相反。当平衡轴旋转时，其两端平衡块形成的力偶，指向亦与往复力偶相反，力矩亦为往复力偶的50%。
3.由于平衡轴力偶与曲轴附加力偶的指向相同，其和又与指向相反的往复力偶相等，从而往复力偶获得平衡。同时，平衡块水平分力形成的两组水平力偶(附图3)，因彼此指向相反，也互相平衡。
本装置构造说明于下(一)双缸四冲程柴油机平衡机构请阅附
图1。图1(a)是农车常用的几种柴油机齿轮室轮系图，数字1为曲轴齿轮，2为惰轮，3为凸轮轴齿轮，4为准备加装的平衡轴齿轮。5为飞轮外径园弧，此弧表示平衡块与飞轮之间相对位置。图中d1、d2分别为凸轮轴与平衡轴对气缸中心线的距离。
附图1(b)说明平衡块与曲轴定位关系，也是往复力偶最大值的位置。图中第一曲柄表示活塞在上死点，右边的两个平衡质量m1和m′1都指向正下方;第二曲柄表示活塞在下死点，左边的两个平衡质量m2和m′2都指向正上方。由于本装置的四个平衡质量佈置不对称，平衡计算时须在两缸之间虚设一条关系线，以求两边的力矩;因此两缸中心距a被关系线平分为两个 1/2 a。图中b1、b′1及b2、b′2分别为平衡质量m1、m′1及m2、m′2对关系线的距离。在附图2中，D为飞轮内园，用以对平衡质量m2定位，R为曲柄销廻转半径，m为活塞等往复运动质量。其余符号分别为四个平衡质量的旋转半径、离心力、离心力的垂直分力和水平分力。
当第一曲柄转角θ小于90°时(图2a)，活塞等质量m的一级往复惯性力为mRω2cosθ，指向上方，对关系线形成一个逆时针力矩 1/2 a·mRω2cosθ。这时曲轴上附加质量m1的离心力为F1，其垂直分力F1v为m1R1ω2cosθ;右上方平衡块m′1的离心力为F′1，其垂直分力F′1v为m′1R′1ω2cosθ;这两个垂直分力都指向下方，对关系线(图1b)形成两个顺时力矩b1·m1R1ω2cosθ和b′1·m′1R′1ω2cosθ。用数学式表达往复力矩与平衡力矩的关系，则右边力矩之和为1/2 × 1/2 a·mRω2COSθ-b1·m1R1ω2COSθ＝0……(1)1/2 × 1/2 a·mRω2COSθ-b′1·m′1R′1ω2COSθ＝0……(2)同样，在关系线左边的力矩之和为1/2 × 1/2 a·mRω2COSθ-b2·m2R2ω2COSθ＝0……(3)1/2 × 1/2 a·mRω2COSθ-b′2·m′2R′2ω2COSθ＝0……(4)从式(1)至式(4)的平衡关系可知，四个平衡力矩都等于 1/4 amRω2COSθ。所以b1m1R1＝b′1m′1R′1＝b2m2R2＝b′2m′2R′2……(5)因此，式(1)式(3)相加，即为曲轴附加力偶与往复力偶的关系1/2 amRω2COSθ＝(b1m1R1+b2m2R2)ω2COSθ……(6)同样，式(2)式(4)相加，即为平衡轴力偶与往复力偶的关系1/2 amRω2COSθ＝(b′1m′1R′1+b′2m′2R′2)ω2COSθ……(7)式(6)和式(7)反映了前述原理的第一项和第二项，即曲轴附加力偶等于往复力偶的50%，平衡轴力偶亦等于往复力偶的50%。
式(6)式(7)相加则为整机力偶平衡方程式amRω2COSθ＝(b1m1R1+b2m2R2)ω2COSθ+(b′1m′1R′1+b′2m′2R′2)ω2COSθ……(8)式(8)表明，本装置对一级往复力偶的平衡是能实现的。
关于平衡块水平分力的平衡，请阅附图2。曲轴自由端的平衡质量m1(图2a)水平分力F1H为m1R1ω2sinθ，与关系线(图1b)右边的距离b1形成一个顺时针力矩b1m1R1ω2sinθ;飞轮端的平衡质量m2(图2b)水平分力F2H为m2R2ω2sinθ，与关系线左边的距离b2也形成一个顺时针力矩b2m2R2ω2sinθ。依据式(5)各个平衡力矩相等的关系，作用在曲轴两端的水平力矩，就成为一组水平力偶(附图3)。其式为Mc＝(b1m1R1+b2m2R2)ω2sinθ……(9)在活塞右上方的平衡块(附图2)，即平衡轴两端的平衡块，因其转向与曲轴相反，故水平分力F′1H为m′1R′1ω2sin(-θ)，另一端水平分力F′2H为m′2R′2ω2sin(-θ);其力矩分别为-b′1m′1R′1ω2sinθ和-b′2m′2R′2sinθ。因此，平衡轴的力偶是负向的(附图3)，也就是逆时针的。其式为Mb＝-(b′1m′1R′1+b′2m′2R′2)ω2sinθ……(10)式(9)与(10)的两组水平力偶虽不在同一平面，但其和始终等于零。根据力偶定理“力偶可由一平面移至任一平行平面，其外效应不变。”的论述，这两组水平力偶是能达到外部平衡的;不致使柴油机横向振动。
各个平衡块本身的力矩(重量与重心距的乘积)，从式(1)至(4)得m1R1＝amR/4b1m2R2＝amR/4b2m′1R′1＝amR/4b′1m′2R′2＝amR/4b′2(二)三缸四冲程柴油机平衡机构请阅附图4。图4(a)表示曲轴上的附加质量m1和m2的位置与曲柄角的关系，这时第一曲柄在上死点后30°。图中D为飞轮内园，d为平衡轴对气缸中心距离;数字1、2、3分别为第一、第二和第三曲柄;左上角的m′1和m′2是平衡轴上的平衡块。
图4(b)表示曲轴与平衡轴纵向佈置。当第一曲柄从上死点转到30°时，往复力偶为最大。这时第一缸内的往复惯性力向上，所以右边的平衡质量m1和m′1都指向正下方;第三缸内的往复惯性力向下，所以飞轮端的平衡质量m2和m′2都指向正上方;在这瞬时，第二缸内的一级往复惯性力等于零。图中b1、b′1和b2、b′2分别为四个平衡质量对关系线的距离，a为相邻两缸的中心距，数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别为第一缸、第二缸和第三缸的中心线。
由于本装置的平衡块佈置不对称，故以第二缸中心线作为关系线，用以计算两边的力矩平衡。又因三缸机往复力偶最大值为3]]>mRω2a，(式中m为活塞等往复运动质量，R为曲柄销廻转半径，a为相邻两缸的中心矩。)在作力矩平衡计算时，应将力偶变成力矩的形式，故对关系线的往复力矩为1/23]]>mω2a。根据图4(b)所给平衡块对关系线的距离，其平衡力矩与往复力矩的关系为右边力矩之和 1/2 × 1/23]]>mRω2a-m1R1ω2b1＝0……(11)1/2 × 1/23]]>mRω2a-m′1R′1ω2b′1＝0……(12)左边力矩之和 1/2 × 1/23]]>mRω2a-m2R2ω2b2＝0……(13)1/2 × 1/23]]>mRω2a-m′2R′2ω2b′2＝0……(14)解上列四式，平衡块本身力矩(重量与重心矩的乘积)依次为m1R1＝0.433mRa/b1m′1R′1＝0.433mRa/b′1m2R2＝0.433mRa/b2m′2R′2＝0.433mRa/b′2式(11)至式(14)四式相加，则为整机平衡方程式3mRω2a＝(m1R1b1+m2R2b2)ω2+(m′1R′1b′1+m′2R′2b′2)ω2……(15)式中(m1R1b1+m2R2b2)ω2为曲轴附加力偶，(m′1R′1b′1+m′2R′2b′2)ω2为平衡轴的力偶。式(15)与式(8)不同之处在于未用垂直分力表示，这是因为计算平衡力矩时选择了往复力偶最大值的位置;在这瞬间，关系线右边的两个平衡块都指向正下方，左边的都指向正上方，它们都不存在水平分力，所以这时的平衡力是纯粹的离心力。
关于水平力偶的平衡性，在双缸机水平力偶分析中，已证明柴油机不会产生横向振动;三缸机的平衡机构与双缸机完全相同，其平衡效果自然也是相同的。
(三)本设计用于未平衡的二冲程柴油机改造时，就不需要另加平衡轴，只要求凸轮轴转向与曲轴相反，其两端配上平衡块就行了。
文件名称页行补正前补正后说明书 2 倒2 倒数第二行之尾遗漏一句并以a·mRω2COSθ为平衡计算的依据。
35第6字与第7字之间漏一“针”字顺时针力矩5 倒9 1/23]]>mω2a漏一字符R 1/23]]>mRω2a6 2 3mRω2a中“3”字漏根号3]]>mRω2a
权利要求
一种由一条平衡轴和曲轴附加力偶组成的多缸柴油机平衡装置(附图1)。其特征是在曲轴两端附加两个偏心质量m1和m2，这附加质量形成的力偶等于50%的往复力偶；在机体一侧有一条平衡轴，其两端平衡块m11和m12形成的力偶亦等于50%的往复力偶；平衡轴和曲轴之间的传动是由曲轴齿轮1经齿轮2、3传至平衡轴齿轮4的，齿轮1与齿轮4的齿数相等。
全文摘要
本设计是一种结构简单的多缸柴油机平衡装置，最适用于双缸和三缸四冲程柴油机往复力偶的平衡，也适用于未平衡的二冲程柴油机的改造。其原理是在曲轴两端附加适当的偏心质量，使曲轴形成一组附加力偶，其力矩足以平衡50％的往复力偶；再设置一条与凸轮轴平行、转速与曲轴相等而转向相反的平衡轴，其两端平衡块形成的力偶亦足以平衡50％的往复力偶。同时，平衡轴的水平力偶与曲轴附加的水平力偶彼此指向相反而力矩相等，从而保证了柴油机横向平衡。
文档编号F16C33/12GK1037952SQ89101489
公开日1989年12月13日 申请日期1989年3月14日 优先权日1988年5月13日
发明者史玉琏 申请人:史玉琏