Цепной привод газораспределительного механизма и вспомогательных агрегатов двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности двигателестроению, а именно к механизмам привода газораспределения (ГРМ) и привода вспомогательных агрегатов (масляного насоса) ДВС преимущественно с цепным приводом. Цепной привод содержит ведущую и по крайней мере одну ведомую звездочки, кинематически охваченные замкнутой приводной цепью. На общем основании между двумя рабочими венцами звездочки размещен упругий демпфирующий элемент с возможностью обкатывания основания рабочих венцов. Внутренний диаметр кольца превышает наружный диаметр рабочего венца звездочки. Упругий элемент выполнен в виде бесконечного вращающегося кольца из металлического пористого сетчатого материала, который позволяет обеспечить эффективное демпфирование ударных вибрационных процессов и обеспечить поглощение звука пористой звукопоглощающей структурой. 7 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности двигателестроению, а именно к механизмам привода газораспределения /ГРМ/ и привода вспомогательных агрегатов /масляного насоса, водяного насоса и т.п./ двигателей внутреннего сгорания /ДВС/ преимущественно с цепным приводом.

При осуществлении рабочих процессов в ДВС коленчатый вал двигателя, на котором жестко закреплено ведущее колесо /звездочка/, посредством приводной бесконечной связи /ремень, цепь/ кинематически взаимодействует, например, с приводным ведомым шкивом /звездочкой/, который закреплен на приводном распределительном вале /кулачковом, золотниковом/ и приводит, таким образом, во вращательное движение распределительный вал с соответствующими составными деталями механизма газораспределения, обеспечивающими реализацию процессов наполнения цилиндров свежей топливовоздушной смесью, ее горение и отвод из цилиндров отработавших газов.

Одна из нежелательных технических проблем заключается в том, что вращающиеся валы, приводные колеса /звездочки/ и движущаяся приводная кинематическая связь /особенно цепь/ являются интенсивными источниками высокочастотных вибраций и шума, вызванных ударными импульсными нагрузками в зонах входа и схода зацепления зубьев звездочек со звеньями цепи и колебаниями ветвей приводной цепи, что приводит к генерированию ударных и вибрационных /колебательных/ импульсов в элементах привода и соответственно к их передаче "твердым" путем по металлу на присоединенные корпусные детали ДВС и излучению их вибрирующими поверхностными структурами /стенками/ звуковой энергии в окружающую среду. Особенно интенсивное излучение шума происходит на неустановившихся режимах работы при изменении скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя /например, при резком изменении нагрузки, числа оборотов двигателя, при переключении передач, торможении, трогании с места транспортного средства, оборудованного ДВС, и пр./ Именно в это время со стороны приводного /коленчатого/ вала на приводную связь /цепь/ передаются наиболее мощные возмущающие динамические импульсы, связанные с неравномерностями и колебаниями крутящего момента и крутильными и изгибными колебаниями носка коленвала, на котором установлена ведущая звездочка, приводящие к интенсивным вибрациям как приводной связи, так и элементов привода и, в итоге, значительному росту генерируемой звуковой энергии, излучаемой в окружающую среду присоединенными зонами стенок корпуса двигателя к приводу.

В какой-то степени частично ослабить вибрации и шум в цепных передачах удается путем введения в них специальных успокоительных демпфирующих элементов. В частности, это могут быть специальные устройства - натяжители, автоматически поддерживающие заданное усилие натяжения цепи, успокоители, находящиеся, в идеальном случае, в постоянном /безотрывном/ контакте с движущейся цепью и ограничивающие, таким образом, чрезмерные колебания ветвей привода и развитие нежелательных шумоактивных динамических процессов, или другие специальные устройства. Например, в заявке Японии /JP, A 1-30960, класс F 16 H 7/18, публ. 02.01.89/ в конструкции цепного привода между ведущей и ведомой звездочками введена дополнительная звездочка, находящаяся в зацеплении с роликовой замкнутой цепью и создающая заданное натяжение цепи. Под воздействием этой натяжной звездочки цепь может отклоняться от положения, в котором она находилась бы, если бы к ней не прикладывалась дополнительная нагрузка. При такой конструкции цепного привода ослабляются вибрации привода вследствие ограничения виброперемещений приводных ветвей, возникающих во время его работы.

В заявке Японии /JP, B 63-3185, класс F 16 H 7/18, публ. 22.01.88/ средством, ослабляющим вибрации цепи, является специальная направляющая, содержащая корпус из листового материала, примыкающий к цепи, в средней части которого выполнен специальный желобок с дном и двумя бортами, которые и ограничивают низкочастотные колебания и повышенную высокочастотную вибрацию цепи.

В патенте /US, A 4869708, класс F 16 H 7/18, публ. 26.09.89/ ветви приводной цепи, размещенные между звездочками, плотно охвачены специальным пластмассовым корпусом, который выполняет функцию ограничителя и успокоителя колебаний ветвей.

В заявке Японии /JP, B 63-3184, кл. F 16 H 7/08, публ. 22.01.88/ описано устройство для натяжения цепи, включающее специальные приспособления, установленные в местах набегания и сбегания цепи на звездочки и предотвращающие возможное ослабление цепи в этих местах. Центр качания направляющих этих приспособлений совпадает с центром вращения звездочек, а натяжные пружины обеспечивают постоянное поджатие приспособлений к цепи в зонах набегания и сбегания ее ветвей на звездочки.

Однако меры, предпринимаемые для снижения шума и вибраций приводом ГРМ в описанных выше источниках информации, имеют ограниченное применение и поэтому, как правило, недостаточны для требуемого эффективного и комплексного решения обозначенной проблемы /вибрации, шум, механические потери, износ, надежность и т.п./.

Прототипом изобретения выбран известный цепной привод /SU, авторское свидетельство 1203281, кл. F 16 H 55/30, 1986 г./, содержащий ведущую и по крайней мере одну ведомую звездочки, кинематически охваченные замкнутой приводной цепью, и размещенный между выполненными на общем основании по крайней мере двумя рабочими венцами звездочки упругий демпфирующий элемент, непосредственно контактирующий со звеньями цепи и выполненный в виде бесконечного вращающегося кольца, размещенного между смежными рабочими венцами звездочки с возможностью обкатывания основания рабочих венцов, причем внутренний диаметр кольца превышает наружный диаметр рабочего венца звездочки, а кольцо выполнено из металлического пористого сетчатого материала.

В противопоставленных источниках патентной информации упругое кольцо частично демпфирует колебания ветвей цепи путем прижатия к набегающему и сбегающему участку элементов цепи, т. е. по сути является натяжителем /упругим/ ветвей от низкочастотных колебаний ветвей типа "колебания натянутой струны". Это, естественно, уменьшает динамические нагрузки и нарушение "правильного" кинематического зацепления зубьев звездочки и элементов цепи в зонах входа и выхода зубьев из зацепления и таким образом повышает надежность и долговечность привода. Однако сам процесс зацепления зубьев с элементами цепи носит импульсный /ударный/ характер /имеются в виду удары зубьев об элементы цепи в процессе вращения приводной звездочки, причем вращающийся неравномерно даже на постоянных оборотах вращения/, а с относительными крутильными /угловыми/ колебаниями звездочки как вследствие неравномерности реализуемого крутящего момента, например, на коленчатом валу двигателя, так и вследствие собственных крутильных колебаний упругой механической системы "коленчатый вал - маховик - приводная звездочка". Вследствие этого рассмотренный динамический процесс носит широкополосный характер с преимущественным расположением звуковой энергии, генерируемой в зоне входа и выхода зубьев из зацепления, в высокочастотной области спектра с наложенной дискретной частотной составляющей, имеющей частоту пересопряжения зубьев звездочки с элементами цепи, равной произведению частоты вращения на число зубьев /а не только низкочастотные струнные колебания ветвей цепи/.

Задачей является обеспечение эффективного демпфирования ударных вибрационных процессов и обеспечение поглощения звука пористой звукопоглощающей структурой.

Технический результат достигается тем, что цепной привод, в частности, газораспределительного механизма и вспомогательных агрегатов двигателя внутреннего сгорания содержит ведущую и по крайней мере одну ведомую звездочку, кинематически охваченные замкнутой приводной цепью, и размещенный между выполненными на общем основании по крайней мере двумя рабочими венцами звездочки упругий демпфирующий элемент, непосредственно контактирующий со звеньями цепи и выполненный в виде бесконечного вращающегося кольца, размещенного между смежными рабочими венцами звездочки, с возможностью обкатывания основания рабочих венцов, причем внутренний диаметр кольца превышает наружный диаметр рабочего венца звездочки, при этом кольцо выполнено из металлического, пористого сетчатого материала.

В заявленном решении кольцо представляет собой элемент из однородной структуры, одновременно обладающей упругими и демпфирующими свойствами, причем демпфирующие свойства обеспечиваются и в агрессивной среде /разогретое масло/ при высоких температурах. Причем если в полимерных проставках демпфирующие свойства с повышением температуры резко падают, а сам материал проставок ускоренно разрушается, то применение в заявленном техническом решении материала, представляющего собой прессованную металлическую пористую сетчатую структуру /ПСМ, металлорезина/, не зависит от температурных нагрузок и воздействия агрессивной среды. Более того, ввиду того что структура пористая, то будучи погруженной в масляную среду, она тем самым способствует снижению трения в зонах контактных взаимодействий с элементами цепного привода.

На фиг. 1 показана схема цепного привода механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания с двумя кулачковыми валами и двухрядной приводной цепью.

На фиг. 2 показано сечение А-А ведущей двухрядной звездочки.

На фиг. 3 показано сечение Б-Б ведущей двухрядной звездочки.

На фиг. 4 и 5 показаны сечения, аналогичные фиг. 2 и 3 /соответственно/, с применением однорядной ведущей звездочки.

На фиг. 6 /увеличенный фрагмент фиг. 4/ показаны рабочие венцы звездочки, в основании которых размещен упругий демпфирующий элемент.

На фиг. 7 показан фрагмент упругого демпфирующего элемента из металлорезины /пористого сетчатого материала - ПСМ/, на внутренней поверхности которого выполнены дополнительные компенсаторы деформаций.

Цепной привод ГРМ и вспомогательных агрегатов двигателя внутреннего сгорания содержит ведущую 1 и ведомую 2 звездочки, кинематически охваченные замкнутой приводной цепью 3, и размещенный между выполненными на общем основании 4 рабочими венцами 5 и 6 звездочки 1 упругий демпфирующий элемент 7.

Элемент 7 выполнен в виде вращающегося бесконечного упругого демпфирующего кольца, размещенного между смежными рабочими венцами 5 и 6, с возможностью обкатывания основания 4, которое является общим для венцов 5 и 6. Внутренний диаметр D1 кольца 7 может несколько превышать наружный диаметр D2 одного из рабочих венцов 5 /или 6/.

Конструктивно кольцо /упругий демпфирующий элемент/ 7 может быть выполнено в виде замкнутой тонкой металлической гибкой бесконечной ленты или из специального полимерного материала, например износостойкого самосмазывающего полимера. Возможным является вариант изготовления кольца 7 из металлического, пористого сетчатого материала, обладающего свойствами металлорезины /подробно об этом будет сказано ниже/.

В том случае, когда толщина - t - кольцевого элемента 7 превышает его ширину - b -, на примыкающей к основанию 4 поверхности демпфирующего элемента 7 выполняются компенсаторы деформаций 8, например углублениями, имеющими форму части окружности, равномерно размещенными по окружности упругого кольца 7. В это же время в основании 4 может быть выполнено аксиальное кольцевое углубление 9, выполняющее функцию специальной направляющей для частично размещенного в ней упругого демпфирующего элемента 7.

Предлагаемый цепной привод ГРМ и вспомогательных агрегатов ДВС работает обычным образом.

Поскольку кольцевой элемент 7 установлен между венцами 5 и 6 с заданным радиальным зазором, фиг. 2, цепь 3 /участки входа и сбега цепи/ контактирует с примыкающими зонами входа и сбега, деформирует элемент 7 в радиальном направлении, при этом форма элемента 7 приобретает вид, приближающийся к овалу. Таким образом, контакт цепи с демпфирующим элементом 7 осуществляется не только при нахождении цепи 3 на звездочке 1, но и /в отличие от прототипа/ на некотором расстоянии перед набеганием и зацеплением зубьев цепи 3 на звездочку 1 и после сбегания элементов цепи 3 со звездочки 1. Таким образом, охваченной процессом демпфирования оказывается не только непосредственная зона зацепления, но и важная примыкающая зона набегания звеньев цепи и их сбегания со звездочки, которые в максимальной степени несут ответственность за формирование виброакустической энергии в работающем цепном приводе, ее износ, надежность, долговечность и т.д. Более эффективно осуществляется и сам процесс шумовибродемпфирования, поскольку увеличиваются как амплитуды деформации вибродемпфирующей структуры кольца 7/ и необратимые потери в нейтрализаторе подводимой энергии/, так и зоны поверхностей взаимного контактного и присоединительного взаимодействия /деформирования/, что влечет увеличение суммарных необратимых тепловых потерь при преобразовании механической колебательной энергии в тепловую энергию внутренних потерь в материале кольца /структурное дислокационное или межволоконное трение при существенных амплитудах и поверхностях деформаций/.

Кроме того, ветви движущейся цепи между смежными звездочками 1 и 2, в процессе вращения последних, совершают изгибные "струнные" колебания, как упруго-массовые элементы, имеющие определенную длину ветви, массу, жесткость и демпфирование. Эти параметры формируют собственную частоту таких изгибных колебаний и в процессе ее совпадения с частотой внешнего динамического возмущения, например, с зубцовой частотой звездочки на конкретном скоростном режиме вращения /работы ДВС/, происходит процесс резонансных колебаний ветви привода, вызывающий значительные нежелательные амплитуды виброперемещений ветви, влекующие нарушение нормальной кинематики и динамики привода в целом /траекторные отклонения в зонах входа и выхода из зацепления/, повышенной вибрации и шуму, повышенным механическим потерям и износу в сопрягающихся элементах зубьев звездочки и цепи, необратимой вытяжки цепи, снижением долговечности и надежности привода и двигателя в целом. Наличие упругого демпфирующего кольца 7, контактирующего с примыкающими участками входа и выхода цепи из зацепления со звездочкой, приводит к введению в эту колебательную систему двух существенно демпфирующих, ограничительных и направляющих элементов /со стороны сбега и набега цепи/, влекущих подавление резонансных колебаний за счет преобразования энергии колебаний ветви цепи в энергию деформации упругого демпфирования кольца 7 и последующим преобразованием этой паразитной энергии в тепловую. Такое "динамическое успокоение" привода влечет снижение шума, вибраций, механических потерь, износа, повышает надежность и долговечность привода.

В качестве одного из конкретных конструктивных выполнений заявляемого технического решения на фиг. 1-3 представлена схема одного из приводов механизма газораспределения ДВС двухрядной приводной цепью. Здесь между венцами 5 и 6 звездочки 3 свободно размещено тонкое металлическое кольцо, которое после монтажа на звездочки 1 и 2 цепи 3 принимает, фиг. 1, близкую к овалу форму. Таким образом, на некотором расстоянии от звездочки 1 кольцо 7 упруго прижимается к набегающим и сбегающим ветвям цепи. Это позволяет гасить не только ударные нагрузки звеньев цепи во время их контакта с зубьями звездочки, но и ослаблять струнные колебания свободных ветвей цепи 3, обеспечивать направляющую и ограничительную функции в приводе.

На фиг. 4-7 предмет изобретения иллюстрируется на примере механизма привода ГРМ двигателя с применением однорядной цепи. По своей сути и достигаемому эффекту он эквивалентен приводу, описанному выше. Конструктивной особенностью здесь является то, что зубья звездочки 1 имеют вильчатую форму, с образованием кольцевого углубления специально для установки в основании 4 упругого демпфирующего элемент 7. Именно в таких конструкциях целесообразно применение элементов 7, толщина которых - t - превышает их ширину - b -, поскольку зазор между рабочими венцами 5 и 6 здесь не может быть значительным. В частности, на фиг. 7 показан пример конструктивного выполнения упругого демпфирующего кольца 7 из материала типа металлорезины /например, металлического пористого сетчатого материала/, причем на внутренней поверхности кольца 7 выполнены дополнительные компенсаторы и усилители деформации 8, которые позволяют упругому демпфирующему элементу 7 более свободно деформироваться при работе привода в радиальном направлении. В ряде случаев для обеспечения заданной кинематики привода в основании 4 выполняется аксиальное кольцевое углубление 9, выполняющее функцию направляющей упругого демпфирующего элемента 7.

Применение предлагаемого технического решения возможно практически на большинстве известных цепных приводах механизмов газораспределения и вспомогательных агрегатов ДВС, причем в случае использования в приводе многорядной цепи штатная конструкция привода не подвергается кардинальной конструктивной доработке, поскольку достаточно между имеющимися венцами 5 и 6 разместить упругий демпфирующий элемент 7. В приводе с однорядной цепью зубья ведущей звездочки выполняются специальной вильчатой формы, или может быть доработана штатная звездочка путем выполнения в ее зубьях дополнительного аксиального паза, как это показано на фиг. 4-6.

Формула изобретения

Цепной привод, в частности, газораспределительного механизма и вспомогательных агрегатов двигателя внутреннего сгорания, содержащий ведущую и, по крайней мере, одну ведомую звездочки, кинематически охваченные замкнутой приводной цепью, и размещенный между выполненными на общем основании, по крайней мере, двумя рабочими венцами звездочки упругий демпфирующий элемент, непосредственно контактирующий со звеньями цепи и выполненный в виде бесконечного вращающегося кольца, размещенного между смежными рабочими венцами звездочки с возможностью обкатывания основания рабочих венцов, причем внутренний диаметр кольца превышает наружный диаметр рабочего венца звездочки, отличающийся тем, что кольцо выполнено из металлического, пористого сетчатого материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7