ШАТУННО-ПОРШНЕВОЙ УЗЕЛ
CONROD-PISTON UNIT

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к производству аксиальных компрессоров холодильных машин с силовым механизмом качающаяся шайба, а также может быть использовано в других поршневых машинах.
Известен шатунно-поршневой узел (А.С. 1672048, МПК F16J 1/14, F16J 1/22, опубл. 23.08.1991), содержащий шатун с шаровой головкой и фиксатором, поршень и прижимную втулку со сферическими гнездами. В шатуне выполнена полость, а в шарнирной головке - каналы, сообщающие полость со сферическими гнездами.
Недостатками данной конструкции являются невысокая надежность, большая металлоемкость поршней и сферических головок шатунов, что увеличивает затраты на материал, а также приводит к увеличению нагруженности кривошипно-шатунного механизма инерционными силами возвратно-поступательно движущихся масс.
Известен шатунно-поршневой узел (А.С. №1749587, МПК F16J 1/22, опубл. 23.07.1992), содержащий шатун с шаровой головкой, уплотнительное кольцо, поршень с юбкой и подпятником, выполненным из металлокерамического материала, обечайку с обжимающей и фиксирующей частями.
Недостатками данного устройства являются также ограниченная надежность и большая металлоемкость поршней и сферических головок шатунов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции является шатунно-поршневой узел (патент РФ №2232322, МПК, F16J 1/22, опубл. 10.07.2004), содержащий шатун со сферической головкой, жестко связанных между собой поршень и прижимную втулку со сферическими гнездами, которые охватывают сферическую головку шатуна, поршневая головка шатуна выполнена в виде тонкостенной сферы.
Недостатком данной конструкции является недостаточная надежность из-за наличия полой сферы, так как полая сфера в опорном шарнире снижает ее несущую способность, а также полую сферу сложно технологически изготовить.
Задача, на решение которой направлено изобретение, - повышение технологичности и надежности шатунно-поршневого узла, а также снижение металлоемкости конструкции.
Данная задача решается за счет того, что в шатунно-поршневом узле, содержащем поршень, шток, согласно изобретению на торцах поршня выполнены сферические поверхности из одного общего центра, поршень снабжен с одной стороны опорой, охватывающей сферическую поверхность поршня, с другой снабжен крышкой, установленной в сферическую поверхность поршня, опора поршня жестко связана со штоком, в поршне, опоре и крышке выполнено осевое отверстие, в которое установлен винт, фиксирующий поршень, крышку и опору с необходимым для обеспечения подвижности натягом, а на противоположном конце штока выполнена сфера, в штоке выполнено радиальное отверстия, в которое вставлен фиксатор винта.
На материал поршня не действуют растягивающие напряжения.
Кроме того, общий центр сферических поверхностей торцов поршня может быть расположен за пределами тела поршня, т.е. увеличивается радиус от центра качания до опоры штока в качающуюся шайбу, а это снижает угол качания штока и боковую составляющую силу со стороны поршня на стенку цилиндра от газовых сил.
Поршень может быть выполнен из антифрикционного материала, например графита или фторопласта.
Сфера на конце штока может быть выполнена вогнутой либо выпуклой.
Преимущество аксиальной схемы расположения цилиндров с силовым механизмом преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное на базе качающейся шайбы состоит в возможности создания компактной конструкции и значительного сокращения боковой составляющей сил со стороны поршня на стенку цилиндра, поскольку шток отклоняется от оси цилиндра на угол менее 1°, это позволяет делать шток круглого сечения.
Особенность фреоновых компрессоров состоит в том, что смазывающее масло присутствует во всем тракте холодильного агрегата и все детали компрессора обильно смазываются. Второй особенностью является охлаждение компрессора холодным расширившимся фреоном, поступающим на вход в компрессор. Это позволяет применить для изготовления поршней антифрикционные материалы с малой плотностью для снижения инерционных сил.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен продольный разрез устройства.
Шатунно-поршневой узел содержит поршень 1, на торцах которого выполнены сферические поверхности, имеющие общий центр, поршень 1 снабжен с одной стороны опорой 2, охватывающей сферическую поверхность поршня 1, а с другой снабжен крышкой 3, установленной в сферическую поверхность поршня 1. Опора поршня 2 жестко связана со штоком 4. В поршне 1, опоре 2 и крышке 3 выполнено осевое отверстие 5, в которое установлен винт 6, фиксирующий поршень 1, крышку 3, опору 2 с необходимым для обеспечения подвижности натягом. В штоке 4 выполнено радиальное отверстие, в которое вставлен фиксатор 7 винта 6. На противоположном конце штока 4 относительно опоры поршня 2 выполнена вогнутая сфера 8. Сфера 8 может быть выполнена также выпуклой.
Работа устройства поясняется с помощью чертежей, где на фиг. 2 приведена схема траекторий движения элементов конструкции.
Поршень движется вдоль оси цилиндра - траектория 9. При движении шатунно-поршневого узла с угловой амплитудой 2α центр сферы 8 (радиус R3) движется по дуговой траектории 10, которую можно разложить на составляющие S-ход поршня и δ-амплитуда качания центра сферы 8 штока 4 относительно траектории 9, которую нужно компенсировать подвижностью крышки поршня 3 и опоры 2 относительно поршня 1. Сферические поверхности R1 и R2 поршня 1, опоры 2 и крышки 3 позволяют штоку 4 совершать качательные движения относительно поршня 1, т.е. компенсировать отклонения центра сферы 8 штока 4 от траектории 9.
В поршневых машинах вдоль оси поршня действуют силы, значительно превосходящие поперечные, поэтому и конструкция шарниров, посредством которых поршень передает усилия, не должна быть симметричной и соответствовать раскладу сил. Силы, возникающие в контактных парах, действуют всегда по нормали к поверхности, т.е. вдоль радиуса сферы.
На фиг. 3 приведены варианты форм шарниров прототипа и частичной сферы опоры поршня.
Площади опоры полной сферы 11 прототипа и частичной сферы опоры поршня 2 равны, но с различной кривизной.
норм
ос
поп
Вектор нормальной силы Р в контактных парах раскладывается на составляющую Р вдоль оси поршня и составляющую Р, перпендикулярную оси поршня.
Площади эпюр сил 12, 13 вдоль оси и эпюры сил 14, 15 поперек оси отражают несущую способность шарниров в том или ином направлении. Площадь эпюры сил 13 вдоль оси поршня сферической опоры 11 значительно меньше площади эпюры сил 12 вдоль оси поршня частичной сферы 2, и совершенно обратная картина с эпюрами сил 14, 15 в малозначимом поперечном направлении.
Сравнение эпюр позволяет сделать вывод, что предлагаемая конструкция обладает большей несущей способностью при значительно меньшей металлоемкости.
Данная конструкция позволяет повысить надежность и технологичность шатунно-поршневого узла, а также снизить металлоемкость конструкции за счет максимального контакта поршня с опорой, т.е. максимально снизить удельные нагрузки в данной контактной паре, что позволяет использовать для изготовления поршня антифрикционные материалы типа графита, фторопласта, композитов, так как конструкция узла исключает возникновение в материале поршня растягивающих напряжений.