一種柴油機曲柄慣量柔性平衡裝置及其設計方法

2023-07-20 17:19:46

一種柴油機曲柄慣量柔性平衡裝置及其設計方法
【專利摘要】一種柴油機曲柄慣量柔性平衡裝置及其設計方法，所述裝置包括曲臂和平衡塊，其中曲臂垂直主軸頸軸線的縱截面的下端設有倒「凸」字形的凸臺，凸臺的兩側分別設有安裝限位銷的螺紋孔，凸臺的端面上設有2個定位螺紋孔；平衡塊的縱截面為倒扇形結構，平衡塊的上端設有U型槽，U型槽兩側對稱分別設有長圓孔，平衡塊的下端扇形圓弧面上對應曲臂凸臺端面的螺紋孔開有帶沉孔的2個通孔，通過套裝有彈性元件的定位螺釘與曲臂相連接。本發明由於離心慣性力和一階往復慣性力得到平衡，改善了曲軸主軸承的負荷分布，利於油膜形成和軸承的潤滑，提高了軸承和曲軸的壽命。結構簡單，成本低，易維護，減輕了曲軸整體重量，降低了柴油機機體加工和裝配的難度。
【專利說明】一種柴油機曲柄慣量柔性平衡裝置及其設計方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬於機械設計領域，涉及一種中高速柴油機曲柄慣量柔性平衡裝置及其設 計方法。

【背景技術】
[0002] 柴油機在高速旋轉過程中，曲柄銷和連杆大頭將產生較大的離心慣性力，同時活 塞組和連杆小頭的往復運動會產生較大的往復慣性力。為平衡上述慣性力，使柴油機曲軸 運轉更為穩定，一般是在曲柄銷曲臂的另一端安裝平衡塊，憑藉平衡塊旋轉過程中產生的 反向離心慣性力與曲柄銷和連杆大頭產生的離心慣性力相互抵消。對於活塞組和連杆小頭 產生的一階往復慣性力，一般採用再增加質量塊或者在柴油機內部增設平衡軸的方法來達 到平衡效果。
[0003] 目前公知技術存在如下缺陷：（1)平衡離心慣性力和一階往復慣性力所需配置的 平衡塊質量大，增大了主軸承的負荷，不利於油膜產生，潤滑條件變差，降低了曲軸壽命。 (2)採用平衡軸來進行平衡將大大增加柴油機結構的複雜性，增大柴油機的製造和裝配成 本。因此，發明一種結構簡單可靠，又能自動實現柔性平衡作用的平衡塊對提高和改善曲軸 主軸承負荷分布、壽命以及運行穩定性都具有重要意義。


【發明內容】

[0004] 本發明的目的在於克服現有技術存在的問題和不足，提供一種結構簡單、平衡效 果好、適用於中高速柴油機的一種曲柄慣量柔性平衡裝置及其設計方法。
[0005] 為了達到上述目的，本發明實現目的所採取的技術方案是：
[0006] -種柴油機曲柄慣量柔性平衡裝置，包括相連接的曲臂1和平衡塊2,其特徵是， 所述曲臂1垂直主軸頸6軸線的縱截面的下端設有倒"凸"字形的凸臺，凸臺的兩側分別開 設有安裝限位銷5的限位銷螺紋孔101，凸臺的端面上開設有2個定位螺釘螺紋孔102 ;所 述平衡塊2的縱截面為倒扇形結構，平衡塊2的上端開設有與所述曲臂1下端設有的倒凸 臺相配合的U型槽202, U型槽202兩側對稱分別開設有與限位銷5相配合的長圓孔201， 平衡塊2的下端扇形圓弧面上對應曲臂1凸臺端面設有的定位螺釘螺紋孔102開設有帶沉 孔204的2個通孔203,通過套裝有彈性元件3的定位螺釘4與所述曲臂1凸臺端面設有的 定位螺釘螺紋孔102相連接。
[0007] 上述所述的平衡塊2的下端扇形圓弧面由左右對稱的圓弧面I 205和圓弧面 II 206以及過渡平面207組成，其中圓弧面II 206圓心與主軸頸6圓心重合，且其半徑R1 小於曲臂1上端圓弧面至主軸頸6中心的距離。
[0008] 上述所述的平衡塊2左右兩側面形成的張角為2 α，大小為120°?140°。
[0009] 上述所述的沉孔204的孔徑大於定位螺釘4大端面直徑。
[0010] 上述所述的通孔203的孔徑大於定位螺釘4螺杆直徑。
[0011] 上述所述的彈性元件3為螺旋彈簧或蝶形彈簧中的任一種。
[0012] 為了達到上述目的，本發明實現目的所採取的另一個技術方案是：
[0013] 本發明的一種柴油機曲柄慣量柔性平衡裝置的設計方法，包括如下步驟：
[0014] 1、確定離心慣性力和一階往復慣性力
[0015] 根據已知柴油機的轉速，曲柄銷的質量，連杆的質量以及活塞組的質量，按公式 (1)和公式（2)分別確定曲柄銷和連杆大頭所產生的離心慣性力匕以及活塞組和連杆小頭 產生的一階往復慣性力ρ?τ ;
[0016] 離心慣性力：：

【權利要求】
1. 一種柴油機曲柄慣量柔性平衡裝置，包括相連接的曲臂（1)和平衡塊（2)，其特徵 是，所述曲臂（1)垂直主軸頸（6)軸線的縱截面的下端設有倒"凸"字形的凸臺，凸臺的兩 側分別開設有安裝限位銷（5)的限位銷螺紋孔（101)，凸臺的端面上開設有2個定位螺釘螺 紋孔（102);所述平衡塊（2)的縱截面為倒扇形結構，平衡塊（2)的上端開設有與所述曲臂 (1)下端設有的倒凸臺相配合的U型槽（202)，U型槽（202)兩側對稱分別開設有與限位銷 (5)相配合的長圓孔（201)，平衡塊（2)的下端扇形圓弧面上對應曲臂（1)凸臺端面設有的 定位螺釘螺紋孔（102)處開設有帶沉孔（204)的2個通孔（203)，通過套裝有彈性元件（3) 的定位螺釘（4)與所述曲臂（1)凸臺端面設有的定位螺釘螺紋孔（102)相連接。
2. 根據權利要求1所述的一種柴油機曲柄慣量柔性平衡裝置，其特徵是，所述的平衡 塊（2)的下端扇形圓弧面由左右對稱的圓弧面I (205)和圓弧面II (206)以及過渡平面 (207)組成，其中圓弧面II (206)圓心與主軸頸（6)圓心重合，且其半徑（R1)小於曲臂（1) 上端圓弧面至主軸頸（6)中心的距離。
3. 根據權利要求1所述的一種柴油機曲柄慣量柔性平衡裝置，其特徵是，所述的平衡 塊（2)左右兩側面形成的張角為2 α，大小為120°?140°。
4. 根據權利要求1所述的一種柴油機曲柄慣量柔性平衡裝置，其特徵是，所述的沉孔 (204)的孔徑大於定位螺釘（4)大端面直徑。
5. 根據權利要求1所述的一種柴油機曲柄慣量柔性平衡裝置，其特徵是，所述的通孔 (203)的孔徑大於定位螺釘（4)螺杆直徑。
6. 根據權利要求1所述的一種柴油機曲柄慣量柔性平衡裝置，其特徵是，所述的彈性 元件（3)為螺旋彈簧或蝶形彈簧中的任一種。
7. -種根據權利要求1所述的柴油機曲柄慣量柔性平衡裝置的設計方法，其特徵是包 括如下步驟： 1) 、確定離心慣性力和一階往復慣性力 根據已知柴油機的轉速，曲柄銷的質量，連杆的質量以及活塞組的質量，按公式⑴和 公式（2)分別確定曲柄銷和連杆大頭所產生的離心慣性力匕以及活塞組和連杆小頭產生 的一階往復慣性力匕：； 離心慣性力：
一階往復慣性力
式中w為曲軸旋轉角速度，R為曲柄銷軸心線到曲軸旋轉中心距離，β為曲軸轉角，πν 為曲柄銷和連杆大頭質量，nij為活塞組和連杆小頭質量。 2) 、確定平衡塊的外形、重量以及重心位置 根據曲柄銷和連杆大頭產生的離心力，按公式（3)、（4)和（5)分別設計出平衡塊，平衡 塊中心位置ye以及扇形質量塊重量G ;其所產生的離心力yeG與曲柄銷和連杆大頭產生的 離心慣性力相平衡。
平衡塊中心位置： 扇形質量塊重量： 平衡塊產生離心力：
式中α為平衡塊扇形張角的一半，通常為60°?70°，γ為材料重度，b為平衡塊厚 度。 3) 、確定平衡塊的極限位移量 根據平衡塊產生離心力平衡離心慣性力Pr和一階往復慣性力Pn關係式（6) 和（7)，按公式（8)確定平衡塊位移量X ; 離心慣性力和一階往復慣性力平衡關係式：
離心慣性力平衡關係式：

平衡塊位移量： ，、 (8) 式中G為扇形平衡塊重量，ye為平衡塊中心位置，已為離心慣性力，Pp為一階往復慣 性力，w為曲軸旋轉角速度，R為曲柄銷軸心線到曲軸旋轉中心距離，β為曲軸轉角，nij為 活塞組和連杆小頭質量。 4) 、確定所需彈性元件的剛度K的值 根據此時彈性元件力與平衡塊離心力相等關係，按公式（9)確定彈性元件剛度值K
(9) 式中G為扇形平衡塊重量，ye為平衡塊中心位置，X為平衡塊位移量。
【文檔編號】F16F15/28GK104061280SQ201410256952
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月11日 優先權日:2014年6月11日
【發明者】張建, 潘志剛, 唐文獻, 李大寶, 吳朝暉, 劉利軍, 晏飛 申請人:江蘇科技大學