Кривошипно-шатунный механизм
CRANK-AND-ROD MECHANISM

Изобретение относится к области машиностроения и к различным технологическим процессам, т.е. там, где используются стержневые механизмы, и может применяться во всех устройствах, предназначенных для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот от ведущего звена к ведомому и изменения величины и скорости их движения, например, в транспортной технике (в автомобилях с двигателем внутреннего сгорания, в электромобилях с возвратно-поступательным движением ведущего звена электродвигателя), в кривошипно-коромысловых и импульсных механизмах, в молотах, прессах, штампах, прижимных устройствах и т.д.
Известен кривошипно-коромысловый механизм, изображенный на рисунке 255 на стр. 75 книги С.Н. Кожевникова и др. «Элементы механизмов» (изд. второе, исправленное и дополненное, Москва, 1956, Государственное издательство оборонной промышленности), который состоит из кривошипа, шатуна и ведомого звена коромысла, соединенных между собой посредством шарниров.
Данный механизм имеет ограниченные возможности, заключающиеся в том, что возвратно-поступательное движение шарнира шатун - ведомое звено коромысло зависит от скорости вращения кривошипа и не имеет возможности изменения скорости движения этого шарнира.
Известен кривошипно-шатунный механизм, изображенный на фиг. 419 (стр. 116) названной выше книги С.Н. Кожевникова, который содержит ведомое звено ползун, шарнирно соединенный с ним шатун и кривошип, образующий шарнирную пару со вторым шатуном, составляющим шарнирный трехзвенник с шатуном и коромыслом, имеющим опору.
В этом механизме имеется возможность изменения величины хода шарнира шатун-ведомое звено ползун за счет изменения положения опоры (на фиг. 419 - точки «А») в направлении движения ведомого звена-ползуна (в описании к фиг. 419 сказано, что «Изменением положения точки «А» можно менять ход (h=var) ползуна …», т.е., как было сказано выше, в направлении, параллельном направлению движения ползуна).
Но изменение величины хода шарнира шатун-ползун, а значит и скорости его перемещения, в этом механизме имеет незначительную величину.
Кроме того, в нем отсутствует возможность их изменения во времени.
1
2
1
Так, величина хода ведомого звена ползуна при перемещении точки «А» (на фиг. 419 представленной выше книги) или точки «О» (на фиг. 1 данного описания) на величину «Н» в направлении движения ползуна изменяется со значения S до значения S, и разница Δ этих значений в масштабе представленных рисунков составляет лишь 0,21 мм.
Кроме того, как показал анализ этого известного кривошипно-шатунного механизма существует зона, в которой известный механизм теряет работоспособность при нахождении в ней опоры коромысла.
Доказательство этого утверждения представлено ниже.
Задачей изобретения является расширение технических возможностей известного кривошипно-шатунного механизма, заключающееся в увеличении диапазона изменения величины перемещения шарнира шатун-ведомое звено и, как следствие, диапазона изменения скорости его движения, а также возможности изменения скорости перемещения шарнира шатун-ведомое звено во времени.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном кривошипно-шатунном механизме, принятом нами за прототип, содержащем ведомое звено ползун, шарнирно соединенный с ним шатун и кривошип, образующий шарнирную пару со вторым шатуном, составляющим шарнирный трехзвенник с шатуном и коромыслом (коромысло в этом механизме при подвижной опоре становится шатуном, поэтому в дальнейшем назовем это звено коромыслом-шатуном), имеющим шарнирную опору, которая имеет возможность перемещения по направляющей, траектория которой отличается от направления движения шарнира шатун-ведомое звено и находится в пределах зоны, определяемой окружностями, центры которых совпадают с осью вращения кривошипа, при этом радиус одной равен длине коромысла-шатуна за вычетом из нее разницы длин второго шатуна и кривошипа, а радиус второй - длине коромысла-шатуна плюс разница длин второго шатуна и кривошипа.
Этот предлагаемый механизм в отличие от известного кривошипно-шатунного механизма, изображенного на фиг. 419, позволяет существенно увеличить диапазон варьирования величиной и скоростью хода шарнира шатун-ведомое звено, скоростью перемещения во времени и определяет зону, в которой кривошипно-шатунный механизм работоспособен.
Обоснование, подтверждающее увеличение диапазона варьирования величиной и скоростью хода шарнира шатун-ведомое звено на значительную величину, представлено ниже в виде графического сравнивания величин ходов шарниров ведомое звено-шатун известного и предлагаемого кривошипно-шатунных механизмов.
1
Выше было сказано, что при перемещении точки «А» (на фиг. 419) или точки «О» (на фиг. 1 данного описания) на величину «Н» в направлении движения ползуна величина изменения его хода Δ составляет лишь 0,21 мм.
1
3
2
3
1
2
1
1
При перемещении шарнира шатун-ведомое звено на ту же величину «Н», что и в известном кривошипно-шатунном механизме, представленном на фиг. 419, но в направлении, близком к перпендикулярному по отношению к направлению перемещения ползуна 2, величины хода ползуна S и S (см. фиг. 2) отличаются в большей степени (A=S-S=6,97 мм), а именно значение Δ больше значения Δ (Δ=0,21 мм) в 33 раза, т.е. налицо значительное увеличение хода шарнира шатун-ползун 2, а значит и скорости его движения.
Отсюда следует, что увеличение хода, а значит и скорости перемещения шарнира шатун-ведомое звено в предлагаемой передаче достигается в результате перемещения точки «А» на фиг. 419 (или шарнира «О» коромысло-шатун - опора на фиг. 2) в направлении, не совпадающем с траекторией движения шарнира шатун-ползун.
Изменение во времени величин хода и скорости шарнира шатун-ведомое звено обеспечивается перемещением опоры коромысла-шатуна по направляющей посредством какого-либо привода.
Зона, в пределах которой может находиться траектория перемещения подвижной опоры коромысла и которая определена выше, обеспечивает работоспособность предлагаемого механизма.
3
Так, при нахождении шарнира опора 7 - коромысло-шатун 5 внутри окружности радиусом R, определяющей зону наиболее близкого положения шарнира, кривошип 1 поворачивается на угол α (см. фиг. 4) по направлению стрелки до момента совмещения шарнира кривошип 1 - второй шатун 4 с коромыслом-шатуном 5.
Дальнейшему вращению кривошипа 1 препятствует коромысло-шатун 5 (оно должно сжиматься), что приводит к заклиниванию механизма.
4
При нахождении шарнира опора 7 - коромысло-шатун 5 вне окружности радиусом R, определяющей зону наиболее удаленного положения шарнира, кривошип 1 поворачивается на угол β (см. фиг. 3) по направлению стрелки до момента совмещения коромысла-шатуна 5 с линией, соединяющей ось шарнира коромысло-шатун 5 - опора 7 с осью вращения кривошипа 1.
Дальнейшему вращению кривошипа 1 также препятствует коромысло-шатун 5 (оно должно растягиваться), что также приводит к заклиниванию механизма.
Перемещение шарнира коромысло-шатун - опора внутри указанной выше зоны, кроме того, что это условие обеспечивает работоспособность предлагаемого кривошипно-шатунного механизма, оно позволяет иметь различные конечные положения шарнира шатун - ведомое звено в зависимости от положения шарнира коромысло-шатун - опора.
Предлагаемый кривошипно-шатунной механизм может быть применен и в кривошипно-коромысловых механизмах, в которых ведомым является шарнир шатун-коромысло, и в импульсных механизмах.
Предлагаемый кривошипно-шатунный механизм может иметь дополнительные варианты исполнения.
Так, кривошип в кривошипно-шатунном механизме, или ведомое звено (коромысло) в кривошипно-коромысловом механизме или оба одновременно могут быть выполнены изменяемыми по длине, что позволит дополнительно увеличивать диапазон регулирования величины и скорости хода шарнира шатун-ведомое звено, а в определенном сочетании положения подвижной опоры коромысла-шатуна и длин коромысла и кривошипа (которые находятся аналитически или графически) можно получить вращательное движение коромысла, т.е. кривошип и коромысло будут вращаться с одинаковой угловой скоростью.
Конструкция механизма изменения длины коромысла и кривошипа может быть выполнена, например, в виде актуатора, как изображено на фиг. 9, или посредством других подобных устройств. Электрическое напряжение к нему может быть подано посредством вращающегося контактного устройства.
Следующее усовершенствование предлагаемого кривошипно-шатунного механизма заключается в том, что траектория направляющей опоры коромысла-шатуна может быть выполнена по форме окружности, радиус которой равен длине коромысла-шатуна, при этом центр ее может находиться в зоне, определяемой окружностями, радиус одной из которых равен сумме длин второго шатуна и кривошипа, а радиус второй - их разнице, (на фиг. 10 центр окружности расположен близко к центру этой зоны), что позволяет также иметь зависимость крайних положений шарнира шатун-ведомое звено от положения шарнира коромысло-шатун - опора, т.е. оба крайних положения шарнира шатун-ведомое звено будут меняться при перемещении подвижной опоры по своей направляющей в том или ином направлении, и, значения (близкого к нулевому - см. фиг. 7) до максимального (см. фиг. 8) и наоборот.
9
Как показал анализ, максимальный ход возвратно-поступательного движения шарнира шатун - ведомое звено может превысить значение диаметра круга, описываемого кривошипом, равного величине 2r, где r - радиус кривошипа, более чем в 2 раза (согласно фиг. 8 отношение S/2r=71,27/2⋅16,57=2,15).
3
При любой компоновке звеньев механизма максимальный ход ползуна обеспечивается при совпадении оси шарнира коромысло-шатун - опора с окружностью радиусом R.
Этот вариант применения передачи с ведомым звеном-ползуном может быть применен, например, в прессах или штампах, где требуется настройка хода рабочего органа пресса или штампа (ведомого звена) при обработке деталей разной толщины.
В частном случае центр окружности, по форме которой выполнена направляющая, может находиться на окружности, радиус которой равен разнице длин второго шатуна и кривошипа (см. фиг. 6 и 8), что позволяет обеспечить при каждом цикле полного оборота кривошипа постоянство остановки шарнира ведомое звено в крайнем, дальнем от оси вращения кривошипа, положении вне зависимости от положения опоры коромысла-шатуна на направляющей.
Выполнение этого условия необходимо, например, в двигателях внутреннего сгорания, когда поршень двигателя должен находиться в одном постоянном положении в начале своего движения к оси вращения коленчатого вала для обеспечения впрыска топливной смеси.
Применение этого варианта кривошипно-шатунного механизма с ведомым звеном ползуном позволяет также регулировать во времени ход поршня двигателя внутреннего сгорания (поршни двигателя могут быть соединены с шатунами посредством крейцкопфов для осуществления возможности разделения камеры сгорания от пространства, в которой находятся шатуны и другие звенья механизма) и, как следствие, скорость вращения коленчатого вала, а значит и скорость движения транспортного средства.
Во втором частном случае центр окружности, по форме которой выполнена направляющая опоры коромысла-шатуна, может находиться на окружности, радиус которой равен сумме длин второго шатуна и кривошипа (см. фиг. 5), что позволяет обеспечить при каждом цикле полного оборота кривошипа постоянство остановки ведомого звена в крайнем, ближнем к оси вращения кривошипа, положении вне зависимости от положения опоры коромысла-шатуна на направляющей.
Этот вариант применения предлагаемого механизма с ведомым звеном-ползуном может быть применен, например, в прессах или штампах, где требуется постоянство ограничения движения рабочего органа пресса или штампа в крайнем верхнем положении при холостом ходе рабочего органа.
Предлагаемый кривошипно-шатунный механизм с ведущим звеном-ползуном и, соответственно, с ведомым кривошипом, может состоять из одного ведущего звена ползуна, двух кривошипов и двух шарнирных трехзвенников, у которых шарниры трехзвенников расположены по одну или по разные стороны относительно линии, обозначающей траекторию перемещения оси шарнира двухзвенника ползун-шатун, а шарниры коромысло-шатун - опора имеют возможность синхронного перемещения, что позволяет иметь два ведущих вала вместо одного для сообщения вращательного движения какому-либо механизму (механизмам), например для автономного привода правых и левых колес той или иной транспортной техники.
Предлагаемый кривошипно-шатунный механизм с ведущим звеном ползуном может состоять из одного ползуна, двух кривошипов и двух шарнирных трехзвенников, звенья которых расположены зеркально относительно линии, обозначающей траекторию перемещения оси шарнира двухзвенника шатун-ползун, а шарниры коромысло-шатун - опора имеют возможность синхронного перемещения, что позволяет иметь два ведущих вала вместо одного для сообщения вращательного движения какому-либо механизму (механизмам) и, кроме того, значительно уменьшить потери на трение и повысить КПД в результате появления второй силы, нейтрализующей это трение и воздействующей на ведомое звено в противоположном направлении по отношению к первой, создающей трение.
Предлагаемое решение поясняется чертежами .
На фиг. 1 изображен кривошипно-шатунный механизм с ведомым звеном ползуном, в котором опора коромысла механизма-прототипа перемещается в сторону ползуна на величину Η (известный механизм по рисунку 419 указанной выше книги).
На фиг. 2 изображен для сравнения кривошипно-шатунный механизм с ведомым звеном ползуном (с увеличенным ходом ползуна), в котором опора коромысла-шатуна перемещается в направлении, не совпадающем с траекторией движения ползуна, но на ту же величину Н, что и на фиг. 1.
На фиг. 3 и 4 изображены кривошипно-шатунные механизмы с ведомыми звеньями ползунами, в которых опора коромысла-шатуна находится вне зон, в которых кривошип имеет возможность совершать полный оборот.
На фиг. 5 изображен кривошипно-шатунный механизм с ведомым звеном ползуном, в котором центр окружности, форму которой имеет траектория направляющей опоры коромысла-шатуна, находится на окружности, радиус которой равен сумме длин второго шатуна и кривошипа.
На фиг. 6 изображен кривошипно-шатунный механизм с ведомым звеном ползуном, в котором центр окружности, форму которой имеет траектория направляющей опоры коромысла-шатуна находится на окружности, радиус которой равен разнице длин второго шатуна и кривошипа.
На фиг. 7 изображен кривошипно-шатунный механизм с ведомым звеном ползуном, в котором центр окружности, форму которой имеет траектория направляющей опоры коромысла-шатуна, находится на окружности, радиус которой равен разнице длин второго шатуна и кривошипа, а собственно опора находится в точке, в которой ход подвижного звена практически равен нулю.
На фиг. 8 изображен кривошипно-шатунный механизм с ведомым звеном ползуном, в котором центр окружности, форму которой имеет траектория направляющей опоры коромысла-шатуна, находится на окружности, радиус которой равен разнице длин второго шатуна и кривошипа, а собственно опора в одном случае находится в точке (звенья изображены контурными линиями), в которой ход ведомого звена ползуна имеет максимальное значение (более 4-х радиусов кривошипа), и в точке (во втором случае, для сравнения), совпадающей с линией, обозначающей траекторию движения шарнира шатун - ползун, и в которой звенья изображены тонкими сплошными линиями.
На фиг. 9 изображен кривошипно-шатунный механизм, в котором ведомым звеном является коромысло кривошипно-коромыслового механизма.
На фиг. 10 изображен кривошипно-шатунный механизм с ведомым звеном ползуном, в котором крайние положения ведомого звена ползуна не постоянны и находятся в зависимости от положения опоры 7 коромысла-шатуна 5.
На фиг. 11 изображен кривошипно-шатунный механизм с изменяемым по длине ведомым звеном - коромыслом, выполненным в виде актуатора, при этом положение опоры коромысла-шатуна и длина коромысла подобраны таким образом, что коромысло совершает непрерывное вращение.
На фиг. 12 изображен кривошипно-шатунный механизм, в котором ползун является связующим звеном для двух шарнирных трехзвенников и кривошипов, у которых шарниры трехзвенников первый шатун - коромысло -второй шатун расположены по разные стороны относительно линии, обозначающей траекторию перемещения оси шарнира двухзвенника ползун - первый шатун. Кривошипы показаны вращающимися в противоположных направлениях. Штрихпунктирными линиями изображены механизмы с кривошипами, вращающимися в одном направлении (по стрелкам, изображенным штрихпунктирными линиями).
На фиг. 13 изображен кривошипно-шатунный механизм, в котором ползун является связующим звеном для двух шарнирных трехзвенников и кривошипов, оси вращения кривошипов которых (как частный случай) совпадают с линией, обозначающей траекторию движения ползуна, а шарниры трехзвенников первый шатун-коромысло - второй шатун расположены по одну сторону относительно линии, обозначающей траекторию перемещения оси шарнира двухзвенника ползун - первый шатун. Кривошипы показаны вращающимися в одном направлении. Штрихпунктирными линиями изображены механизмы с противоположным вращением кривошипов.
На фиг. 14 изображен кривошипно-шатунный механизм, в котором ползун является связующим звеном для двух шарнирных трехзвенников и кривошипов, находящихся зеркально относительно линии, обозначающей траекторию перемещения оси шарнира двухзвенника ползун - первый шатун. Кривошипы показаны вращающимися в противоположных направлениях. Оси вращения кривошипов изображены (как частный случай) совпадающими с линией, обозначающей траекторию движения ползуна
Состоит предлагаемый кривошипно-шатунный механизм из кривошипа 1, шарнирно соединенного с ведомыми звеньями ползуном 2 или коромыслом 8 при помощи шатуна 3, и второго шатуна 4, образующих с коромыслом-шатуном 5 шарнирный трехзвенник.
Коромысло-шатун 5 имеет направляющую 6 для подвижной опоры 7.
Поз. 9 обозначен актуатор, в виде которого выполнено коромысло 8, поз. 10 - крейцкопф.
1
2
1
2
Значением R обозначен радиус окружности, величина которого равна сумме длин второго шатуна 4 и кривошипа 1, а значением R - радиус окружности, величина которого равна разнице длин второго шатуна 4 и кривошипа 1. Окружности радиусов R и R определяют зону, в которой совершает возвратно-поступательные движения шарнир трехзвенника шатун - второй шатун - коромысло-шатун.
3
4
3
4
Значением R обозначен радиус окружности, величина которого равна длине коромысла-шатуна 5 плюс разница длин второго шатуна 4 и кривошипа 1, а значением R обозначен радиус окружности, величина которого равна длине коромысла-шатуна 5 за вычетом из нее разницы длин второго шатуна 4 и кривошипа 1. Окружности радиусов R и R определяют зону, в которой может перемещаться опора коромысла-шатуна.
Значением r обозначен радиус кривошипа 1.
Значением R обозначен радиус окружности, по форме которой выполнена направляющая 6 для опоры 7 коромысла-шатуна 5.
Работает предлагаемый кривошипно-шатунный механизм следующим образом.
Рассмотрим два случая работы механизма на примере, представленном на фиг. 8, в котором ползун 2 совершает максимальный ход.
В первом случае рассмотрим работу механизма с ведущим звеном ползуном 2. Подобным образом может работать двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель с якорем поступательного движения.
Ползун 2, перемещаясь по направлению стрелки, толкает шатун 3, который вынуждает коромысло-шатун 5 совершать качательное движение вокруг опоры 7 из точки «А», первого крайнего положения, до точки «Б» (второго крайнего положения) (при этом опора 7 удерживается от перемещения своим приводом (не показан)), а второй шатун 4 вынуждает кривошип 1 совершать вращение на некоторый угол Θ. При движении ползуна 2 в обратном направлении коромысло-шатун 5 совершает качательное движение в обратном направлении, а кривошип 1, продолжая вращение, совершает полный оборот.
2
Поскольку центр окружности, по форме которой выполнена направляющая 6, находится в точке «Б», совпадающей с линией окружности радиусом R, ползун 2 вернется в крайнее левое (по отношению к полю чертежа) исходное положение (и будет всегда находиться в нем при следующих циклах работы), а в крайнем правом положении будет останавливаться в зависимости от положения опоры 7 коромысла-шатуна 5 на направляющей 6 (см. положение опоры 7 в точке «В», в которой звенья изображены тонкими линиями).
1
При нахождении центра окружности, по форме которой выполнена направляющая 6 опоры 7 коромысла-шатуна 5, в точке, совпадающей с линией окружности радиусом R ползун 2 будет останавливаться в постоянном крайнем правом по отношению к полю чертежа положении, а в левом положении - в зависимости от положения опоры 7 коромысла-шатуна 5 на направляющей 6.
1
2
При перемещении опоры 7 из положения «В» в положение «Г» в любом направлении максимальная величина хода ползуна 2 становится близкой к нулю (шарнир коромысло-шатун 5 - второй шатун 4 качается вокруг опоры 7 от окружности радиусом R до окружности радиусом R и обратно).
При перемещении опоры 7 в промежуточное положение (между точками «В» (фиг. 8) и «Г» (фиг. 7)) ход ползуна 2 будет находиться между максимальным и нулевым значением и зависеть от конкретного положения опоры 7.
Кривошипно-шатунный механизм с ведущим звеном ползуном может применяться в редукторах и коробках передач с любым передаточным числом более единицы (в понижающих передачах) для изменения скорости вращения ведомого кривошипа в пределах этого числа.
Для использования этого механизма в повышающих передачах необходимо установить одноступенчатую понижающую передачу с передаточным числом, обеспечивающим необходимый диапазон передаточного числа передачи.
Рассмотрим второй случай, когда ведущим звеном является кривошип 1, а ведомым - ползун 2.
9
В этом случае при вращении кривошипа 1 по направлению стрелки на некоторый угол θ коромысло-шатун 5 будет совершать качательные движения вокруг опоры 7 из точки «А» в точку «Б», а ползун 2 будет совершать прямолинейное движение по направлению стрелки, совершая ход, равный S. При совершении кривошипом 1 дальнейшего вращения ползун будет совершать прямолинейное движение в обратную сторону. При совершении полного оборота кривошипом 1 ползун 2 вернется в исходное положение. Далее работа механизма повторяется.
1
При нахождении центра окружности, по форме которой выполнена направляющая 6, в точке, совпадающей с линией окружности радиусом R ползун 2 будет останавливаться всегда в крайнем правом по отношению к полю чертежа положении, а в левом положении - в зависимости от положения опоры 7 коромысло-шатун 5 на направляющей 6.
2
При нахождении центра окружности, по форме которой выполнена направляющая 6, в точке, совпадающей с линией окружности радиусом R (как показано на фиг. 8), ползун 2 будет находиться в постоянном крайнем левом (по отношению к полю чертежа) исходном положении, а в крайнем правом положении будет останавливаться в зависимости от положения опоры 7 коромысло-шатун 5 на направляющей 6.
Кривошипно-шатунный механизм с ведомым шарниром шатун-коромысло, изображенный на фиг. 9, работает следующим образом.
При вращении кривошипа 1 по направлению стрелки на пол-оборота коромысло 8 совершает качательное движение в направлении стрелки.
При вращении кривошипа 1 еще на пол-оборота коромысло 8 совершает холостой ход в обратном направлении.
При продолжении вращения кривошипа 1 работа механизма повторяется.
Перемещение опоры 7 по направляющей 6 с помощью какого-либо привода в ту или иную сторону позволяет получить бесступенчатое, плавное изменение величины хода шарниров шатун - ведомое звено ползун или шатун - ведомое звено коромысло (и, как следствие, угла качания коромысла), а также скорости их движений во времени в диапазоне, необходимом для работы транспортной техники (автомобилей с двигателем внутреннего сгорания, электромобилей с возвратно-поступательным движением ведущего звена электродвигателя), кривошипно-коромысловых и импульсных механизмов, молотов, прессов, штампов, прижимных устройств и т.д..
Кривошипно-шатунные механизмы с одним ведущим звеном ползуном и двумя трехзвенниками, изображенные на фиг. 12 и 14, работают следующим образом.
При перемещении ведущего ползуна по направлению стрелки кривошипы, изображенные контурными линиями будут вращаться в противоположных направлениях, а в одном направлении будут вращаться кривошипы, изображенные соответственно контурной и штрихпунктирной линиями.
Кривошипно-шатунный механизм с одним ведущим звеном ползуном и двумя трехзвенниками, изображенном на фиг. 13, работает следующим образом.
При перемещении ведущего ползуна по направлению стрелки кривошипы, изображенные контурными линиями, будут вращаться в одном направлении, а в противоположных направлениях будут вращаться кривошипы, изображенные соответственно контурной и штрихпунктирной линиями.