Méthode d'équilibrage du vilebrequin dans un moteur de tir à degrés inégal

Ce qui est revendiqué est:


1. Procédé pour équilibrer dynamiquement un moteur de type V ayant un motif de tir de degré irrégulier et comprenant un vilebrequin ayant au moins un crankthrow, et au moins deux ensembles de piston, au moins deux bielles pour relier les assemblages de piston au crankthrow, Procédé comprenant:

(A) placer le vilebrequin dans une machine d'équilibrage rotative;


(B) attacher une paire de disques statiquement équilibrés aux extrémités opposées du vilebrequin, le rayon de chaque disque étant supérieur au rayon du crankthrow et la masse combinée des deux disques étant supérieure à la masse du vilebrequin;


(C) attacher des bobes au crankthrow, le poids des bobes étant égal à cent pour cent du poids rotatif de l'ensemble manivelle / bielle / piston plus cinquante-cinq pour cent du poids alternatif de la manivelle / bielle / Assemblage de piston;


(D) faire tourner le vilebrequin et les disques attachés dans l'équilibreur pour déterminer s'il existe un déséquilibre dynamique; et


(E) retirer ou ajouter du poids au vilebrequin pour compenser le déséquilibre dynamique du vilebrequin.



La description:



DOMAINE DE L'INVENTION


La présente invention concerne de manière générale un procédé pour produire un type de moteur à mouvement alternatif ayant un motif de tir de degré inégal et plus particulièrement un procédé d'équilibrage d'un vilebrequin dans un tel moteur.


CONTEXTE DE L'INVENTION



Depuis la crise du pétrole du début des années 1970, il y a eu une demande croissante pour des voitures plus petites et plus économes en carburant. Les fabricants d'automobiles aux États-Unis ont répondu à cette demande en introduisant des véhicules alimentés par des moteurs à quatre cylindres de conception récente. Ces nouveaux modèles représentent l'investissement considérable dans la conception, le développement et les installations de fabrication de la part des constructeurs automobiles et de leurs fournisseurs. Ces coûts accrus ne peuvent être récupérés qu'en les transmettant au consommateur.


Les véhicules plus petits doivent être conçus avec des compartiments de moteur plus petits qui ne peuvent pas accueillir les moteurs à six et huit cylindres fabriqués couramment par l'industrie automobile des États-Unis au cours des 40 dernières années. Les familles de moteurs développées pour les véhicules plus petits sont souvent des designs complètement nouveaux qui sont intrinsèquement coûteux. Afin de satisfaire les attentes de la performance du client, les fabricants ont augmenté le déplacement du moteur, mais avec un déplacement accru, les moteurs à quatre cylindres ont des caractéristiques de vibration sévères. La pratique actuelle consiste à amortir ces caractéristiques de vibration en ajoutant des arbres à contre-rotation, équilibrage, mais ces arbres augmentent le poids du moteur, augmentent le coût de production et consomment de l'énergie dans leur fonctionnement qui compromettent grandement la valeur des quatre - conception de cylindre. L'autre alternative, un petit moteur V-6 à 60 degrés, est une solution encore plus coûteuse.


Selon la méthode actuelle pour équilibrer les vilebrequins du moteur, l'exigence consiste à équilibrer statiquement le vilebrequin, sans tenir compte du poids du piston et de l'ensemble de bielle, avant d'équilibrer dynamiquement le vilebrequin, ce qui place une limite supérieure de 2 000 centimètres cubes sur le total Déplacement des moteurs à quatre cylindres. L'élément économique inhérent à la production d'un moteur à quatre cylindres ou même à deux cylindres à grande largeur a été considéré comme impossible ou peu pratique pour l'utilisation des procédures d'équilibrage actuelles.


RÉSUMÉ ET OBJETS DE L'INVENTION



Après de nombreuses recherches sur le problème susmentionné, la présente méthode a été développée pour concevoir et produire des moteurs à combustion interne, à moteur alternatif avec moins de cylindres, mais avec un déplacement total du moteur égal aux moteurs plus importants actuellement utilisés dans l'industrie automobile. Cela s'effectue en augmentant les dimensions de l'alésage et de la course et en éliminant un certain nombre de cylindres dans un bloc moteur, de sorte qu'un moteur à deux cylindres peut avoir un déplacement égal et une sortie de puissance du cheval d'un moteur à quatre cylindres. Pour compenser les forces vibratoires accrues résultant de l'augmentation de la masse des pièces en va-et-vient et du déclenchement progressif des cylindres, une nouvelle méthode pour équilibrer dynamiquement le vilebrequin du moteur a été développée.


Compte tenu de ce qui précède, un objet de la présente invention est de réduire le coût de la fabrication et de l'assemblage des moteurs à combustion interne du type à mouvement alternatif.


Un autre objet de la présente invention est de réduire la taille et de simplifier le poids de ces moteurs en réduisant la taille du bloc moteur et des composants auxiliaires (culasses, admission, collecteur d'échappement, vilebrequin).


Un autre objectif est de simplifier la conception du moteur en réduisant le nombre de pièces mobiles nécessaires, réduisant ainsi le coût de fabrication, d'assemblage et d'installation.


Un autre objet de la présente invention est de prévoir un procédé d'équilibrage des forces de rotation et de mouvement alternatif agissant sur le vilebrequin du moteur lui permettant de fonctionner en douceur.


Encore un autre objet de la présente invention est d'augmenter l'efficacité des moteurs à combustion interne grâce à une réduction des pertes de pompage du cylindre rendue possible en éliminant un certain nombre de cylindres nécessaires à un déplacement donné.


D'autres objets et avantages de la présente invention deviendront évidents et évidents à partir d'une étude de la description suivante et des dessins annexés qui sont simplement illustratifs d'une telle invention.


BREVE DESCRIPTION DES DESSINS



FIGUE. La figure 1 est une vue en coupe transversale d'un moteur de type V produit conformément à la présente invention;


FIGUE. 2 est une vue en plan de dessus de celui-ci, avec la culasse retirée;


FIGUE. 3 est une vue en plan de côté d'un distributeur utilisé en liaison avec le moteur;


FIGUE. 4 est une vue en élévation latérale du moteur;


FIGUE. La figure 5 est une vue en élévation d'un arbre à cames utilisé en liaison avec le moteur; et


FIGUE. La figure 6 est une vue en élévation d'un vilebrequin utilisé avec le moteur.


FIGUE. La figure 7 est une élévation frontale d'une machine d'équilibrage avec un vilebrequin qui y est monté;


FIGUE. La figure 8 est une coupe transversale de la machine d'équilibrage avec un vilebrequin qui y est monté.


DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION



En se référant davantage aux dessins, un exemple de moteur 10 est représenté qui a été produit conformément à la présente invention. La construction de ce moteur est similaire à celle du moteur standard à huit cylindres en V utilisé aujourd'hui. Les similitudes entre les deux modèles permettraient aux fabricants d'utiliser de nombreux composants, matériaux et machines-outils standard déjà utilisés avec les moteurs actuels de l'industrie automobile.


En se référant maintenant à la FIG. Sur la figure 1, le moteur 10 de type V comprend un bloc moteur 12 comportant un carter de manivelle inférieur 14 et des bancs à deux cylindres 16 disposés à 90 degrés l'un par rapport à l'autre.


Chaque banque de cylindres 16 comprend un cylindre unique 18. La conception du bloc de moteur 12 est sensiblement la même que le moteur de type V plus grand dans l'utilisation actuelle. Un vilebrequin 20 comprenant un pignon de vilebrequin formé d'une seule pièce et un seul jet de manivelle 24 monté dans le boîtier de manivelle 14 de la manière normale de ces moteurs. Un piston alternatif 28 est disposé à l'intérieur de chaque cylindre 18 et relié au vilebrequin 20 au moyen d'une bielle 32. Dans la présente invention, le vilebrequin comprend un seul jet de manivelle 24 et un tourillon sur lequel les bielles 32 de chaque piston 28 sont attaché. Cela crée un vilebrequin plus simple, plus fort et moins coûteux que celui dans lequel les journaux pour chaque biellette de piston 32 sont séparés et décalés. Ce vilebrequin à bille unique 20 entraînera un ordre de tir de degré inégal qui entraînerait normalement des vibrations importantes pendant le fonctionnement. Cependant, une nouvelle méthode pour équilibrer dynamiquement le vilebrequin 20 du moteur à deux cylindres élimine cette vibration et permet un fonctionnement normal et lisse avec de gros alésages de cylindre. Cette méthode d'équilibrage est discutée plus en détail dans les parties suivantes de cette spécification.


Une paire de culasses 34 est montée sur les cages de cylindres respectives 16 par des boulons de tête 36. La culasse 34 ferme l'extrémité supérieure des cylindres 18 et comprend une pluralité d'ouvertures de machine. Plus particulièrement, la culasse 34 comprend une ouverture de soupape d'admission 40 et une ouverture de soupape d'échappement 42 communiquant avec chaque cylindre 18. Une soupape d'admission 44 et une soupape d'échappement 46 sont montées respectivement dans l'ouverture de soupape d'admission 40 et l'ouverture de soupape d'échappement 42 Et sont exploités pour ouvrir et fermer les mêmes. La soupape d'admission 44 et la soupape d'échappement 46 sont ouvertes et fermées par un arbre à cames 48.


L'arbre à cames 48 est monté dans le bloc moteur 12 entre les cages de cylindre 16. L'arbre à cames 48 comprend une pluralité de cames 50 comportant des sections ou des lobes relevés 52. Le nombre de cames 50 sur l'arbre à cames 48 dépend évidemment du nombre de Vannes d'admission et d'échappement dans le moteur. L'arbre à cames 48 de la présente invention n'a que quatre cames 48 pour faire fonctionner deux soupapes d'admission 40 et deux soupapes d'échappement 42. (figure 3)


L'équitation sur chaque caméra 50 est un poussoir de soupape cylindrique 54. Lorsque l'arbre à cames 48 tourne et que le lobe 52 se déplace sous le poussoir de soupape 54, le poussoir de soupape 54 est relevé. Le poussoir de soupape 54 engage à son tour une tige de poussée 56 s'étendant entre le poussoir de soupape 54 et un culbuteur 58 monté sur la culasse 34. La tige de poussée 56 pousse le culbuteur 58 vers l'avant qui vient en prise avec la soupape d'admission 44 ou la soupape d'échappement 46, Selon le cas, de sorte que la soupape est soulevée de son siège et que la soupape s'ouvre. Lorsque le lobe 52 sur la came se déplace vers l'extérieur, la pression du ressort de soupape 60 sur la soupape force la soupape à se réinstaller. En même temps, le poussoir de soupape 54 est forcé vers le bas de sorte qu'il reste en contact avec la came 50.


Il est à noter que les soupapes d'admission et d'échappement 44 et 46 doivent s'ouvrir et se fermer par palier au mouvement du piston 28. L'ouverture et la fermeture des soupapes sont commandées par l'arbre à cames 48 comme décrit ci-dessus. La position du piston 28 est liée à la position du vilebrequin 20 puisqu'ils sont reliés par la bielle 32. Ainsi, la rotation du vilebrequin 20 et de l'arbre à cames 48 doit être synchronisée pour une synchronisation appropriée des soupapes.


Afin d'assurer une synchronisation appropriée des soupapes, un engrenage à arbre à cames est annulé autour de l'extrémité avant de l'arbre à cames 48. L'engrenage de l'arbre à cames peut être engrené avec le pignon 22 du vilebrequin, mais plus communément ils sont reliés par une chaîne de distribution. Dans les deux cas, le mouvement de l'arbre à cames 48 et du vilebrequin 20 est synchronisé. L'engrenage de l'arbre à cames est généralement deux fois plus grand que le pignon de vilebrequin 22 de telle sorte que le vilebrequin 20 fera deux rotations complètes pour chaque rotation de l'arbre à cames 48. Ainsi, les vannes ne sont ouvertes qu'une fois toutes les deux révolutions du vilebrequin


Un collecteur d'admission 66 distribue un mélange d'essence et d'air à chaque cylindre 18 par l'ouverture de soupape d'admission 40. Un carburateur 68 est monté sur le collecteur d'admission 66. Le mouvement vers le bas du piston 28 dans le cylindre 18 produit un vide partiel dans Cylindre et tend à tirer de l'air à travers le carburateur 68 et le collecteur d'admission 66. À mesure que l'air se déplace à travers le carburateur 68, il élimine des particules atomisées d'essence. Le mélange gaz / air est ensuite tiré à travers le collecteur d'admission 66 après une soupape d'admission ouverte 44 dans le cylindre 18. L'allumage du mélange gaz / air dans le cylindre 18 entraîne le piston 28 vers le bas dans le cylindre 18 qui tourne à son tour le vilebrequin 20 comme Sera décrit plus en détail ci-dessous. Lorsque le piston 28 se déplace vers le haut dans le cylindre 18, les gaz brûlés sont forcés au-delà de la soupape d'échappement 46 et à travers le collecteur d'échappement 70 qui est également fixé aux culasses 34.


Le mélange gaz / air à l'intérieur de chaque cylindre 18 est enflammé par une bougie d'allumage 72 vissée dans une ouverture filetée formée dans la culasse 34. Des surtensions de haute tension produites par une bobine d'allumage sont dirigées vers les bougies d'allumage respectives 72 en ordre de tir approprié par un distributeur 76. Le distributeur 76 comprend un rotor monté sur un arbre de distribution et un capot de distribution 82 ayant une pluralité de bornes de haute tension 84. La borne centrale de haute tension 84 est reliée par un fil à haute tension à une bobine d'allumage. Les bornes extérieures sont reliées par des fils d'allumeur à des bougies d'allumage respectives 72. Lorsque le rotor 78 tourne, il relie successivement les bornes centrales de haute tension aux différents terminaux extérieurs de haute tension qui dirigent la tension de haute tension de la bobine vers l'étincelle du moteur Bouchons 72.


Il est apprécié que la synchronisation de l'étincelle doit être synchronisée avec le mouvement des soupapes et du piston 28. En règle générale, cela se fait en engrenant un engrenage sur l'arbre de distribution avec un engrenage sur l'arbre à cames 48 de sorte que l'arbre de distribution soit entraîné par L'arbre à cames 48.


Le mode de fonctionnement de ces moteurs est bien connu de l'homme du métier, mais est décrit brièvement ci-dessous. Un tel fonctionnement du moteur est divisé en quatre cycles, appelés coups. Le premier coup s'appelle le coup d'admission. Pendant cette course, le piston 28 se déplace vers le bas dans le cylindre 18 et la soupape d'admission 44 est ouverte. Le mouvement vers le bas du piston 28 crée un vide partiel dans le cylindre 18 qui tire un mélange gaz / air du carburateur 68 après la soupape d'admission ouverte 44 dans le cylindre 18. Lorsque le piston 28 se rapproche du fond de sa course d'admission, la soupape d'admission 44 ferme. La course de compression commence par le piston 28 se déplaçant vers le haut dans le cylindre 18 à la fois avec la soupape d'admission 44 et la soupape d'échappement 46 fermée. Le mouvement vers le haut du piston 28 comprime le mélange gaz / air à environ un dixième de son volume d'origine, ce qui le rend plus combustible. Lorsque le piston 28 atteint le sommet de la course de compression, une surtension de haute tension est dirigée depuis la bobine d'allumage vers la bougie d'allumage 72 par le distributeur 76. L'étincelle résultante enflamme le mélange gaz / air dans le cylindre. La chaleur de combustion provoque une expansion énergique des gaz qui poussent le piston 28 vers le bas. La force descendante est portée à travers la bielle 32 vers le vilebrequin 20 qui reçoit un virage puissant. C'est ce qu'on appelle le coup de puissance. Lorsque le piston 28 atteint le fond de sa course de puissance, la soupape d'échappement 46 s'ouvre. La course d'échappement commence par le mouvement vers le haut du piston 28 qui force les gaz brûlés après la soupape d'échappement 46 dans le collecteur d'échappement 68.


La description ci-dessus définit les composants mécaniques de base d'un moteur de type V. En outre, le moteur doit inclure un système d'alimentation en carburant, un système de refroidissement, un système de lubrification et un système d'allumage. Les composants et les opérations de chacun des systèmes mentionnés ci-dessus sont bien connus de l'homme du métier et sont facilement disponibles dans le commerce. En outre, le moteur comprendrait un récipient d'huile 26 monté sur la face inférieure du carter de manivelle 14 et un couvercle de soupape 38 monté sur chaque tête 34.


Le bloc 12 de la présente invention utilise la dimension de l'alésage, les pistons, les anneaux, les poignets, les bielles et les roulements d'un moteur Cheverolet V-8 de 400 cubes et déplace 94 pouces cubes. Le vilebrequin 20 partage un jet identique 24 avec celui d'un vanois standard V-8 Cheverolet, mais est beaucoup plus court. (Figure 4) De même, l'arbre à cames 48 ne nécessite que quatre lobes 50 par rapport à un arbre à cames V-8 et ses 16 lobes. (Figure 3). Le distributeur 76 de la présente invention n'est rien d'autre qu'un distributeur de stock pour un moteur V-8 dont six des huit bornes extérieures 84 sont enlevées.


Les pièces modifiées décrites ci-dessus peuvent être fabriquées avec des moules, des matrices et des outils existants avec peu de modifications. Un changement de conception, cependant, devra être fait pour que le moteur V-2 fonctionne en douceur ou soit sans vibrations. Cette modification est dans la procédure d'équilibrage normalement utilisée pour un vilebrequin du moteur V.


Le moteur V-8 est un moteur de tir à degrés uniforme. En d'autres termes, l'un des huit cylindres disparaîtra chaque fois que le vilebrequin 20 tournera quatre-vingt-dix degrés. Ce système de tir de degré uniforme permet au moteur de fonctionner en douceur sans vibration.


L'exemple de moteur V-2 de la présente invention, tel que discuté ci-dessus, utilise un vilebrequin à jauge unique 20 avec un espacement de cylindre de 90 degrés. Cet arrangement entraînera un déclenchement uniforme des cylindres. Lorsque le cylindre n ° 1 se déclenche, le vilebrequin tourne 270 degrés avant les feux de cylindre n ° 2. Une fois le cylindre n ° 2 enflammé, le vilebrequin 20 parcourra 450 degrés avant que le cylindre n ° 1 ne se déclenche à nouveau. Ce déclenchement de niveau irrégulier entraînerait normalement le moteur à tourner inégal ou à vibrer. Ainsi, le vilebrequin doit être équilibré pour compenser ce tir de niveau inégal.


Le poids rotatif doit être équilibré dans deux plans. Toutes les pièces qui tournent en ligne avec le vilebrequin sont équilibrées de sorte que le poids des pièces soit réparti également autour du centre de rotation. C'est ce qu'on appelle l'équilibre statique. Étant donné que le vilebrequin dans la plupart des moteurs de type V est normalement long, il doit généralement être vérifié pour voir qu'il est équilibré de bout en bout. Le vilebrequin 20, de la présente invention, ne reçoit qu'un équilibre dynamique. Cependant, une roue volante et un équilibreur harmonique, qui sont montés sur les extrémités opposées du vilebrequin 20, devraient eux-mêmes être statiquement équilibrés avant d'être installés sur le vilebrequin 20.


Une machine d'équilibrage 90 est utilisée pour équilibrer les parties tournantes du moteur. Étant donné que les moteurs de type V ont leurs crankts à 90 degrés l'un de l'autre, le poids doit être ajouté aux lancers pendant le processus d'équilibrage pour compenser l'espacement de 90 degrés. Le poids est ajouté sous forme de bobes-balles 92, qui sont vissées sur le tourillon du vilebrequin. Dans un moteur de tir de degré égal, le poids du bobweight 92 est calculé en ajoutant le poids total rotatif d'un crankthrow (qui est le côté de manivelle de deux bielles puisque le moteur de type V a deux tiges par jet) et 50 pour cent de Le poids alternatif d'un crankthrow. En d'autres termes, le poids des parties en rotation est ajouté à la moitié du poids des parties en va-et-vient attachées à chaque crankthrow. Un calcul typique du bobweight pour un moteur V-8 peut être comme suit:


700 g d'extrémité tournante de deux bielles. 800 g de poids total de 2 inserts de roulement. 880 g de poids rotatif total d'un crankthrow 390 g un piston 125 g broche 80 g un ensemble d'anneaux 100 g d'extrémité alternée d'une bielle. 695 g demi-poids alternatif d'un crankthrow 880 g 695 g 1575 g bobweight


Normalement, le vilebrequin est statiquement équilibré avant d'être équilibré dynamiquement. Le vilebrequin 20 selon la présente invention, cependant, ne reçoit pas d'équilibre statique. Normalement, cela provoquerait que le vilebrequin vibre violemment pendant la procédure d'équilibrage et mettra probablement en danger l'opérateur de l'équilibreur. Pour surmonter cette vibration dans la procédure d'équilibrage, deux disques solides 94 sont attachés, un à chaque extrémité, au vilebrequin avant de placer l'assemblage complet du vilebrequin, des moustaches 92 et des disques attachés 94 dans la machine d'équilibrage 90. Chaque disque 94 a Un rayon supérieur à celui du jet de vilebrequin et ensemble, ils ont une masse totale qui dépasse celle du vilebrequin et des bobines pondérées 92. Le moment d'inertie produit par le moment angulaire du vilebrequin à forme irrégulière est donc déplacé au-delà du rayon du vilebrequin jeter. L'effet global est de déplacer le centre de masse de l'ensemble de l'assemblage vers l'axe de rotation.


En outre, le poids du bobweight 92 à ajouter lors de la procédure d'équilibrage doit être calculé différemment pour compenser le déclenchement uniforme des cylindres.


Après avoir calculé le poids rotatif et la moitié du poids alternatif d'un crankthrow, on ajoute un facteur de compensation qui est égal à dix pour cent (10%) du dernier nombre. Ainsi, si la moitié du poids alternatif est de 695 grammes calculé ci-dessus, un supplément de 69,5 g est ajouté pour compenser le déclenchement uniforme du moteur. Le poids du bobweight 92 pour le moteur du demandeur serait donc de 1644,5 g (800 g + 695 g + 69,5 g). Il convient de noter que le poids du bobweight 92 peut également être calculé en ajoutant cent pour cent (100%) du poids rotatif d'un crankthrow et cinquante-cinq pour cent (55%) du poids alternatif d'un crankthrow comme sténographie méthode.


Le moteur complet V-2 construit comme décrit ci-dessus est de 21 pouces de long par 20 pouces de large et 24 pouces de hauteur. Le poids total du moteur, moins de démarrage et le fluide est d'environ 180 lbs. Le moteur produira un couple maximal de 110 ft.-lbs. À 3000 tr / min, soit 62,8 chevaux. Ainsi, on peut voir que ce moteur est capable de faire le travail de la plupart des moteurs à quatre cylindres.


On peut facilement voir qu'un moteur qui est produit par les procédures décrites dans la présente invention aura un équilibrage dynamique inhérent de toutes les masses dans l'ensemble rotatif du vilebrequin et des pièces en va-et-vient attachées. On peut également facilement voir que le volume de déplacement des alésages individuels de cylindre n'est plus limité par le problème de l'équilibrage adéquat du vilebrequin et de l'assemblage de masse en va-et-vient. Ainsi, il est possible d'éliminer un certain nombre de cylindres nécessaires pour produire un moteur d'un déplacement donné sans recourir à des dispositifs d'amorçage des vibrations externes coûteux, compliqués et à vol d'énergie.


La présente invention peut, bien sûr, être effectuée d'autres manières spécifiques que celles énoncées ici sans sortir de l'esprit et des caractéristiques essentielles de l'invention. Les présents modes de réalisation doivent donc être considérés à tous égards comme illustratifs et non restrictifs, et tous les changements entrant dans la portée de la signification et de l'équivalence des revendications annexées sont destinés à y être inclus.