SE526393C2 - Arrangemang och förfarande för att balansera en förbränningsmotor i ett fordon - Google Patents

Description

25 30 35 .LH (_'[\ C 4 \. D LN de moment bildas. För att eliminera första ordningens krafter och moment roterar så- dana balansaxlar med vevaxelns varvtal och för att eliminera andra ordningens krafter och moment roterar de med vevaxelns dubbla varvtal. Det är tekniskt komplicerat att installera sådana balansaxlar. US 5 083 535 visar ett exempel på en anordning för att eliminera det fria momentet av den andra ordningens hos en femcylindrig radrnotor.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syfiet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett arrangemang och ett förfa- rande som tillhandahåller en god balans i en förbrärmingsmotor i ett fordon på ett en- kelt och effektivt sätt och till en ringa kostnad.

Det ovan angivna syftet uppnås med det inledningsvis nämnda arrangemanget som kännetecknas av vad som anges i patentkravets 1 kärmetecknande del. Tunga fordon innefattar i regel ett eller flera aggregat som innefattar en cylinder med en rörlig kolv som är förbunden med vevaxeln, för drift av olika komponenter hos fordonet. Sådana aggregat är i de flesta fall inte helt balanserade utan de tillför även fria krafier och/eller fria moment till fordonet under drift. Genom att montera ett sådant obalanserat aggre- gat i en passande position i förhållande till förbränningsmotom så kan aggregatets fria krafier och/eller fria moment fås att motverka de fria krañema och/eller de fria mo- menten hos förbränningsmotorn. Härvid kan en typ av aggregat väljas som är speciellt lämpat för att kompensera obalansen hos en viss typ av förbränningsmotor. Ett beñnt- ligt aggregat kan även användas som förses med en lämplig obalans. De resulterande fria lcrafiemas och/eller momentens värde från förbränningsmotor och aggregat kan därmed åtminstone reduceras. Därmed elimineras eller åtminstone reduceras de vibra- tioner i fordonet som härrör från förbränningsmotorns obalans under drift. Eftersom ett sådant aggregat ändå ska monteras i fordonet kan det tillhandahålla en balansering av förbränningsmotom utan någon installation av extra utrustning såsom balansaxlar. De vibrationer som härrör från förbrärmingsmotom kan därmed reduceras på ett enkelt och effektivt sätt och till en ringa kostnad.

Enligt en föredragen utföringsfonn av uppfinningen är aggregatet inrättat att drivas med förbränningsmotorns varvtal. Krafier och moment av första ordningen har ett vär- de som varierar periodiskt med förbränningsmotoms vevaxelvinkel. För att aggregatet ska kunna erhålla motverkande krafter och/eller moment med en motsvarande perio- disk variation erfordras att aggregatet drivs med samma varvtal som motorn. Alterna- 10 15 20 25 30 35 LT: F23 C “'\ (_:~l xD (gtq tivt kan aggregat vara inrättat att drivas med förbränningsmotoms dubbla varvtal.

Krafter och moment av andra ordningen varierar periodiskt med förbränningsmotoms dubbla vevaxelvinkel. För att aggregatet ska kunna erhålla motverkande krafter och/eller moment med en motsvarande periodisk variation erfordras här att aggregatet drivs med förbränningsmotorns dubbla varvtal. Eventuellt kan två aggregat arrangeras så att ett av aggregaten drivs med motoms varvtal och det andra aggregatet med mo- toms dubbla varvtal. Därmed kan fria krafter och moment av både första och andra ordningen elimineras. Med fördel innefattar aggregatet en transmission med vilken förbränningsmotorn är inrättad att driva aggregatet. Med en transmission som har en utväxling av 1:1 eller 1:2 erhåller alltid aggregatet ett korrekt varvtal som kontinuerligt följ er drivmotoms varvtal. Dessutom kan transmissionen förbinda aggregatets vevaxel med förbränningsrnotorns vevaxel i en vridposition i förhållande till varandra så att uppkomsten av fria krafter och/eller moment motverkas optimalt i alla vridlägen.

Enligt en föredragen utföringsforrn av uppfinningen är aggregatet fäst mot förbrän- ningsmotom. Aggregatet och förbrärmingsmotom är här i direkt kontakt med varandra så att eventuella rörelser hos förbränningsmotom väsentligen omedelbart motverkas av aggregatets rörelser. Härvid kan fria krafter och/eller fria moment från förbrännings- motorn effektivt balanseras utan resulterande fordonsvibrationer. F örbränningsmotom kan vara en femcylindrig radmotor. Förbränningsmotorer med ett oj ämnt antal cylind- rar är väsentligen alltid obalanserade. Uppfinningen är dock tillärnpbar på de flesta typer av förbränningsmotorer som är obalanserade.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen innefattar aggregatet balansorgan för att variera aggregatets balans med syfte att väsentligen optimalt motverka de fria krafterna och/eller de fria momenten från förbränningsmotorn. Då ett fordon har en komplicerad dynamisk struktur är det inte självklart var aggregatet ska monteras och om det ska drivas exakt i fas mot förbränningsmotom för att vibrationer i fordonet ska elimineras optimalt. Därvid kan man även med, exempelvis, utbytbara motvikter expe- rimentellt pröva sig fram till en obalans hos aggregatet där en optimal eliminering av vibrationer i fordonet erhålls.

Enligt en arman föredragen utföringsforrn av uppfinningen är aggregatet encylindrigt.

Hos encylindriga motorer påverkas vevaxeln av fria krafler av första och andra ord- ningen. Genom att montera ett sådant aggregat i en lämplig position i förhållande till, exempelvis, en femcylindrisk motorn kan en sådan motors fria moment avsevärt redu- 10 l5 20 25 30 35 ceras. Aggregatet kan vara en luftkompressor. Väsentligen alla tunga fordon innefattar lufikompressorer för att tillhandahålla tryckluft till, exempelvis, fordonets bromssy- Stem.

Det ovan angivna syftet uppnås även med det inledningsvis nämnda förfarandet som kännetecknas av vad som anges i patentkravets 10 kännetecknande del. Genom att montera ett sådant aggregat som innefattar en cylinder med en rörlig kolv som är fór- bunden med vevaxeln i en lämplig position i förhållande till förbränningsmotorn kan aggregatets obalans fås att motverka förbrärmingsmotorns obalans under drift. Med ett sådant förfarande kan de vibrationer som härrör från en förbränningsmotorns obalans på ett enkelt och effektivt sätt reduceras. Dessutom reduceras eventuella vibrationer som härrör från det befintliga aggregatet.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGEN I det följande beskrivs såsom ett exempel en utföringsform av uppfinningen med hän- visning till bifogade ritning, på vilken: Fig. 1 visar ett arrangemang för att balansera en motor i ett fordon enligt före- liggande uppfinning.

DETALJERAD BESKRIVNING AV EN UTFÖRINGSFORM AV UPPFINNINGEN F ig. l visar schematiskt en förbränningsmotor 1 här i form av en femcylindrisk radmo- tor. Förbränningsmotorn 1 är anordnad i ett icke visat fordon. Förbränningsmotorn 1 innefattar fem i rad anordnade cylindrar 2 med rörliga kolvar 3. Kolvamas 3 fram och återgående rörelser i cylindrama 2 överförs, via vevstakar 4, till en rotationsrörelse av en vevaxel 5. Ett schematiskt visat aggregat i form av en encylindrisk lufikompressor 6 är här monterad i på den ena sidan av förbränningsmotorn l. Luftkompressorn 6 inne- fattar en cylinder 7 med en rörligt anordnad kolv 8 som är inrättad att under drift upp- rätthålla lufitrycket i ett tryckluftssystem hos fordonet. Tryckluftssystemet kan, exem- pelvis, utnyttjas för att ansätta fordonets bromsar. Luñkompressoms kolv 8 är via en vevstake 9 förbunden med en vevaxel 10. En transmission 1 1 förbinder förbrännings- motorns vevaxel 5 med tryckluftskompressoms vevaxel 10. Transmissionen 11 inne- fattar här ett första kugghjul 1 la som är anordnad på förbränningsmotoms vevaxel 5 och ett andra kugghjul l lb som är anordnad på tryckluftskompressorns vevaxel 10. En 10 15 20 25 30 35 kugghjulsrem llc förbinder det första kugghjulet l la med det andra kugghjulet 11c.

Transmissionen ll har här utväxlingen 1:2 så att tryckluftskompressom 6 drivs med ett dubbelt så högt varvtal som förbränningsmotorn l.

Hos de flesta typer av förbränningsmotorer uppkommer, under drift, fria krafter och/eller fria moment, som verkar på förbränningsmotom. Storleken hos dessa fria krafier och fria moment kan beräknas matematiskt för de olika typema av förbrän- ningsmotorer med kännedom om antalet cylindrar och cylindrarnas inbördes placering.

Den fria krafi: som påverkar vevaxeln under drift kan uttryckas som summan av ett antal termer i en serie. Terrnema i nämnda serie faller dock snabbt i värde varför kraf- ten med god noggrannhet kan uppskattas som summan av de två första termerna av nämnda serie. Den första tennen benänms den fria kraften av den första ordningen och den andra termen benämns den fria kraften av den andra ordningen. Den fria kraften av den första ordningen hos en förbränningsmotor kan bestämmas med utgångspunkt från kolvaccelerationsmasskraften av den första ordningen och kan matematiskt uttryckas som F1=rn0-r-w2-cos(ot). Den fria kraften av den andra ordningen kan bestämmas med utgångspunkt från kolvaccelerationsmasskraften av den andra ordningen och kan ma- tematiskt uttryckas som F2=rn0-r-(n2-Ä-cos(a). F1= kolvaccelerationsmasskraften av den första ordningen , F2= kolvaccelerationsmasskraften av den andra ordningen , m0 = kolvens massa + 1/3 av vevstakens massa, r = vevradien, (n = vinkelhastigheten, Ä= r/l vevradien / vevstakslängden och ot = vevvinkeln.

Den fiia kraften av den första ordningen som verkar på en femcylindrisk förbrän- ningsmotor 1 blir summan av kolvaccelerationsmasskraftema F; av den första ordning- en för de fem cylindrama 2. Den fria kraften av den andra ordningen som påverkar förbränníngsmotorn l blir på motsvarande sätt summan av kolvaccelerationsmasskraf- tema F; av den andra ordningen för de fem cylindrama 2. Kolvaccelerationsmasskraf- terna Fl och F; av den första och andra ordningen för de respektive cylindrama 2 kan även resultera i fiia moment som påverkar förbränningsmotom 1. Det fria momentet av den första ordningen är summan av de moment som kolvaccelerationsmasskraflema F; för den respektive cylindrama 2 ger upphov till. Det fria momentet av den första ordningen kan bestämmas med kännedom om kolvaccelerationsmasskraftema Fl av den första ordningen för den respektive cylindrama 2 och avståndet a mellan cylind- rama. På motsvarande sätt kan det fria momentet av den andra ordningen bestämmas som summan av de moment som kolvaccelerationsmasskrafierna F; av den andra ord- ningen för den respektive cylindrama 2 ger upphov till. Det fria momentet av den l0 15 20 25 30 35 L; Cm LN xïf) f., andra ordningen kan även bestämmas med kännedom om kolvaccelerationsmasskraf- terna F; för den respektive cylindrama 2 och avståndet a mellan cylindrama.

För en femcylindrisk radmotor 1 blir summan av kolvaccelerationsmasskrafiema F; och F; för de fem cylindrarna noll både avseende den första ordningen och den andra ordningen. Inga fria krafter kommer således är påverka förbränningsmotorn 1 under dñfi. Kolvaccelerationsmasskrafterna F 1 och F; ger däremot upphov till fria moment av både den första och andra ordningen. Med avståndet a mellan de respektive cylindrar- na 2 kan det fria momentet av den första ordningen matematiskt här beräknas till att vara 0,449- F; - a och det fria momentet av den andra ordningen till att vara 4,98- F; - a.

Det totala momentet Mm som påverkar förbränningsmotorn under drift blir således Mm = 0,449- Fl - a + 4,98- F; - a. Med ett Ä värde runt 0,3, dvs. förhållande mellan vevradi- en/ vevstakslängden kan konstateras att F; är cirka tre gånger större än FZ. Trots det blir det fria momentet av den andra ordningen för en femcylindrisk radmotor 1 klart större än det fria momentet av den första ordningen.

Hos en encylindrisk lufikompressom 6 uppkommer under drifi fria kraften av den för- sta ordningen och den andra ordningen. Den fria krafien av den första ordningen kan matematiskt beskrivas som mO-r-wZ-cosflx) och den fria kraften av den andra ordningen 6 kan beskrivas som mO-r-wZ-Ä-coswt). Den totala fria kraften Fc som påverkar luft- kompressorn 6 blir därmed Fc = rn0-r-w2-cos(oc) + m0-r-(o2-Ä-cos(0t). Efiersom luftkom- pressom 6 är encylindrig, dvs. a = 0, erhålls inga fria moment som påverka luftkom- pressom 6 under drifi.

Förbränningsmotorn 1 utsätts, under drifi, för det fria momentet Mm som tenderar att vrida förbränningsmotorn 1 runt en central punkt 12 hos vevaxeln 5. Luftkompressorn 6 utsätts, under drift, för den fria kraften Fc som verkar i punkten 13 hos vevaxeln 10.

Enligt föreliggande uppfinning monteras luftkompressorn 6 i en sådan position i för- hållande till förbrärmingsmotorn 1 så att den fiia kraften Fc hos luftkompressorn 6 motverkar det fria momentet Mm hos förbränningsmotom 1. Den fi-ia kraften Fc hos lufikornpressorn 6 verkar således på ett avstånd från den punkt 12 runt vilken momen- tet Mm verkar. Med en lämplig placering av luftkompressom 6 i förhållande till för- brärmingsmotorn 1 tillhandahålls ett linjärt avstånd till punkten 12 så att den fiia kraf- ten Fc hos lufikompressom 6 tillhandahåller ett moment som väsentligen optimalt mot- verkar det fria momentet Mm hos förbrärmingsmotom 1. Det fria momentets Mm värde varierar emellertid med vevaxelns 5 vridvinkel hos förbrärmingsmotorn 1 och den fria 10 15 20 25 30 35 krafiens Fc värde varierar med vevaxelns 10 vridvinkel hos lufikompressom 6. För att momentet från den fria kraften Fc hos lufikompressom 6 optimalt ska motverka med det fria momentet Mm hos förbränningsmotom l krävs att vevaxlarna 5, 10 är inbördes fasförbundna på ett optimalt sätt. Därmed kan det motverkande momentet, som den fria lqaften Fc tillhandahåller, fås att variera i värde för olika vevaxelvinklar på ett motsvarande sätt som det fria momentets Mm variation.

Eftersom det fria momentet av den andra ordningen för en femcylindrisk radrnotor 1 är större än det fria momentet av den första ordningen är det lämpligt att transmissionen 11 har en utväxling av 1:2. Lufikompressorns vevaxel 10 kommer därmed att drivas med förbränningsmotoms vevaxelns 5 dubbla varavtal. Härvid kan den fria krafien Fc hos lufikompressom 6 på ett lämpligt avstånd från punkten 12 ge ett moment som motverkar det fria momentet Mm hos förbränningsmotorn som är av den andra ord- ningen. Därmed kan de vibrationer i fordonet som härrör från det fiia momentet av den andra ordningen avsevärt reduceras.

Ett fordon är emellertid en komplicerad konstruktion. Det kan därför vara svårt att med teoretiska metoder bestämma den positionen där luftkompressorn 6 bör monteras för att det fria momentet Mm hos förbränningsmotom 1 ska motverkas optimalt. En för- bränningsmotor ger dessutom inte enbart upphov till ett tippande moment Mm utan även till ett vridande moment. Positioneringen av lufikompressom i ett fordon bör där- för ske experimentellt för att hitta den position hos lufikompressorn vilken resulterar i en minimal vibrationsnivå i fordonet. Lufikompressom 6 kan även på prov förses med balansorgan av olika storlekar så att den fiia kraften Fc kan ges ett värde så att den op- timalt motverka det fiia momentet Mm hos förbränningsmotorn l. Även vevaxlarna 5, lO inbördes vridvinklar kan justeras med syfie att optimalt reducera det fria momentet Mm hos förbränningsmotorn l och därmed uppkommande vibrationer i fordonet. Ge- nom att utnyttja ett befintligt aggregat, såsom en luflkomprcssor 6, i ett fordon kan förbränningsmotom 1 balanseras på ett enkelt och effektivt sätt och till en ringa kost- nad.

Uppfinningen är på intet sätt begränsad till den beskrivna utföringsformen utan kan varieras fritt inom patentkravens ramar. Förbränningsmotom 1 kan vara av ett väsent- ligen godtycklig slag där fria krafter och/eller fria moment uppkommer under drift.

Lufikompressorn 6 kan vara ett väsentligen godtyckligt aggregat där även fria krafter och/eller fiia moment uppkommer under drift. Transmissionen ll mellan förbrän- ïf f) f 7 f) 'Z \) ef.. O '~..* f, ningsmotorns vevaxel 5 och trycklufiskompressorns vevaxel 10 behöver inte innefatta kugghjul Ila, llb och en kugghjulsrem 11c utan transmissionen kan ha en väsentligen godtycklig konstruktion.

Claims (15)

10 15 20 25 30 35 Patentlcrav

1. Arrangemang för att balansera en förbränningsmotor (1) i ett fordon, varvid för- bränningsmotorn (1) är av det slag där fria lcrafier och/eller fria moment uppkommer under drift och varvid fordonet innefattar åtminstone ett aggregat (6) där även fria kraf- ter och/eller fria moment uppkommer under drift, kännetecknat av att arrangemanget innefattar att aggregatet (6) är monterat i fordonet i en sådan position i förhållande till förbränningsmotorn ( l) så att de fiia krafier och/eller de fria moment som uppkommer hos aggregatet (6) är inrättade att åtminstone delvis motverka de fria krafier och/eller de fria moment som uppkommer hos förbränningsmotom (1).

2. Arrangemang enligt krav 1, kännetecknat av att aggregatet (6) är inrättat att drivas med förbränningsmotoms (1) varvtal.

3. Arrangemang enligt krav 1, kännetecknat av att aggregat (6) är inrättat att drivas med förbränningsmotoms (1) dubbla varvtal.

4. Arrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av att arrangemanget innefattar en transmission (l 1), med vilken förbränningsmotorn (1) är inrättad att driva aggregatet (6).

5. Arrangemang enligt något av föregående krav, känneteclcnat av att arrangemanget innefattar att aggregatet (6) är fäst mot förbränningsmotorn (1).

6. Arrangemang enligt något av föregående krav, kärmetecknat av att förbränningsmo- tom (l) är en femcylindri g radmotor.

7. Arrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av att aggregatet (1) innefattar balansorgan för att variera aggregatets balans med syfte att väsentligen op- timalt motverka de fria krañema och/eller de fria momenten från förbränningsmotorn (1).

8. Arrangemang enligt något av föregående krav, kärmetecknat av att aggregatet (6) är encylindrigt. 10 15 20 25 r n - l J ,\ (al v.) CN 10

9. Arrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av att aggregatet är en lufikompressor (6).

10. Förfarande för att balansera en förbränningsmotor i ett fordon, varvid förbrän- ningsmotom (1) är av det slag där fria krafier och/eller moment uppkommer under drift, och varvid fordonet innefattar åtminstone ett aggregat (6) där även fria krafter och/eller fria moment uppkommer under drift, kännetecknat av steget att montera ag- gregatet (6) i fordonet i en sådan position i förhållande till förbränningsmotom (1) så att de fria krafiema och/eller de fria momenten som uppkommer hos aggregatet (6) åtminstone delvis motverkar de fria kraftema och/eller fria momenten som uppkom- mer hos förbränningsmotom (1).

11. ll. Förfarande enligt krav 10, kännetecknat av steget att driva aggregatet (6) med för- bränningsmotoms (1) varvtal.

12. F örfarande enligt krav 10, kärmetecknat av steget att driva aggregatet (6) med för- bränningsmotoms (1) dubbla varvtal.

13. Förfarande enligt något av de föregående kraven 10-12, kännetecknat av steget att driva aggregatet (6) medelst förbränningsmotom (1).

14. Förfarande enligt något av de föregående kraven 10-13, kännetecknat av steget att fasta aggregatet (6) mot förbränningsmotom (1).

15. Förfarande enligt något av de föregående kraven 10-14, kärmetecknat av steget att variera balansen hos aggregatet (6) med syfie att optimalt kompenserar för de fria kraf- terna och/eller momenten från förbrärmingsmotom (1).