ШАТУННО-ПОРШНЕВАЯ ГРУППА
CONNECTING ROD-PISTON GROUP

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к узлам поршневых машин, преимущественно, двигателей внутреннего сгорания.
Известна шатунно-поршневая группа, содержащая установленный в цилиндре поршень с головкой и вставкой, поршневой палец и шатун с верхней и нижней головками и стержнем (см. авторское свидетельство СССР 220675, опуб. 28.06.1968).
Недостатками известной шатунно-поршневой группы являются низкий КПД, малые надежность и ресурс из-за невозможности самоустановки головки поршня по поверхности цилиндра во всех направлениях, а также из-за деформирования поверхности цилиндра и ее перегрева от трения при передаче на корпус реактивной нагрузки от шатуна.
Техническим результатом являются повышение КПД, надежности и ресурса с обеспечением высоких удельных массо-габаритных параметров машин, использующих описываемый узел.
Поставленная задача достигается тем, что в шатунно-поршневой группе, содержащей поршень, по меньшей мере, с головкой и вставкой, поршневой палец и шатун с верхней и нижней головками и стержнем, причем поршень установлен в цилиндре, закрепленном на корпусе двигателя, а вставка выполнена в виде полого коробчатого ребра жесткости, передающего от шатуна реактивную нагрузку на корпус посредством контактных поверхностей, в полости короба размещены верхняя головка и часть стержня шатуна, отверстие под поршневой палец выполнено в боковых стенках короба вставки, головка связана со вставкой посредством шарнира с возможностью самоустановки головки по поверхности цилиндра за счет ее перемещения относительно вставки во всех направлениях, по меньшей мере, в плоскости, пересекающей продольную ось цилиндра, при этом корпус снабжен ответными контактными поверхностями, взаимодействующими с контактными поверхностями вставки, и ответные контактные поверхности расположены на отдельных опорных элементах, закрепленных на корпусе.
Поставленная задача достигается также тем, что между контактными поверхностями корпуса и вставки могут быть расположены катки, снабженные синхронизирующими шестернями, при этом каждая контактная поверхность снабжена зубчатыми рейками, зацепленными с соответствующими синхронизирующими шестернями катков.
Поставленная задача достигается также тем, что опорные элементы могут быть снабжены механизмом регулирования пространственного их положения.
Поставленная задача достигается также тем, что палец может быть выполнен в виде центрального цилиндрического тела с расположенными на двух его торцевых сторонах выступами, имеющими форму сегментов, цилиндрическая наружная поверхность которых является продолжением центрального цилиндрического тела, при этом наружная поверхность средней части центрального цилиндрического тела взаимодействует с верхней головкой шатуна посредством элементов качения, крайние его цилиндрические поверхности контактируют с внутренней поверхностью отверстий в боковых стенках короба вставки, а цилиндрические поверхности сегментных выступов контактируют с поверхностью вставки, передающей усилие через палец шатуну.
Поставленная задача достигается также тем, что поршень может быть снабжен юбкой.
Поставленная задача достигается также тем, что юбка может быть выполнена в виде стакана с буртиком, расположенного вокруг вставки, либо юбка выполнена заодно с головкой в виде стакана, расположенного вокруг вставки.
Изобретение поясняется при помощи чертежей.
На фиг.1 показан двухтактный двигатель с описываемой шатунно-поршневой группой при положении поршня в нижней мертвой точке (НМТ).
На фиг.2 - то же, при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ).
На фиг.3 показан трехмерный вид шатунно-поршневой группы в сборе.
На фиг.4 - то же, вид с разнесенными элементами.
На фиг.5 показан поршневой палец.
Двигатель с описываемой шатунно-поршневой группой содержит корпус 1, закрепленный на нем цилиндр 2, в котором размещен поршень 3, имеющий головку 4 и вставку 5, выполненную в виде полого коробчатого ребра жесткости. В отверстиях 6 вставки 5 установлен поршневой палец 7, взаимодействующий посредством элементов качения 8 с верхней головкой 9 шатуна 10, имеющего стержень 11 и нижнюю головку 12. Головка 4 поршня 3 связана со вставкой 5 посредством шарнира 13, выполненного, например, в виде байонетного соединения, с радиальным зазором между кольцевыми выступами 14 и 15 соответственно головки 4 и вставки 5. Радиальный зазор позволяет перемещаться головке 4 относительно вставки 5 во всех направлениях только в поперечной плоскости, ограничивая при этом их относительное перемещение вдоль направления движения поршня 3.
Вставка 5 снабжена контактными поверхностями 16 с зубчатыми рейками 17, а ответные контактные поверхности 18 снабжены зубчатыми рейками 19 и установлены на отдельных опорных элементах 20, закрепленных на корпусе 1. Между контактными поверхностями 16 и 18 расположены катки 21 с синхронизирующими шестернями 22, зацепленными с рейками 17 и 19. Возможен и непосредственный контакт поверхностей 16 и 18 с их относительным скольжением при перемещении поршня 3.
Опорные элементы 20 снабжены механизмом 23 регулирования пространственного их положения. Механизм 23 содержит резьбовые элементы (болты) 24, контактирующие своими торцами с опорными элементами 20 и отжимающие их от корпуса 1, прижимая контактные поверхности 18 к каткам 21 и контактным поверхностям 16 вставки 5. Для предотвращения выпадения опорных элементов 20 в полость корпуса 1 при сборке машины, а также для создания надежного контакта с опорными торцевыми поверхностями болтов 24 при ее работе, осуществляют натяг опорных элементов 20 в сторону корпуса 1 к болтам 24 при помощи резьбового соединения 25. Для снятия напряжений в резьбовых соединениях и в месте контакта болтов 24 с опорными элементами 20 между торцами болтов 24 и опорными элементами 20 устанавливают подпятники 26 со сферическими поверхностями.
Поршневой палец 7 может быть выполнен в виде центрального цилиндрического тела 27 с расположенными на двух его торцевых сторонах выступами 28, имеющими форму сегментов, цилиндрическая наружная поверхность которых является продолжением центрального цилиндрического тела 27. Наружная поверхность средней части центрального цилиндрического тела 27 взаимодействует с верхней головкой 9 шатуна посредством элементов качения 8. Крайние цилиндрические поверхности 32 центрального цилиндрического тела 27 контактируют с внутренней поверхностью отверстий 6 в боковых стенках короба вставки 5. Цилиндрические поверхности сегментных выступов 28 контактируют с поверхностью вставки 5, передающей усилие через палец 7 шатуну 10.
Поршень 3, кроме головки 4 и вставки 5, может содержать юбку 29, выполненную в виде стакана с буртиком 30. Либо юбка 29 может быть выполнена заодно с головкой 4. Так как в описываемом изобретении юбка 29 не участвует в передаче реактивной нагрузки, то она может быть выполнена тонкостенной и может служить в качестве удлинения направляющей поверхности головки 4 для повышения надежности ее самоустановки. В двухтактных двигателях с щелевой продувкой юбка 29 может выполнять функции золотникового органа для перекрытия выпускных окон при положении поршня 3 в районе ВМТ.
Поршневая машина с описываемой шатунно-поршневой группой работает следующим образом.
Возвратно-поступательные движения поршня 3 преобразуются при помощи шатуна 10 и кривошипа 31 во вращение коленчатого вала, либо, наоборот, вращение вала 2 преобразуется в движение поршня 3. В любом механизме преобразования движения при его работе возникает реактивная сила, воспринимаемая корпусом. В поршневой машине реактивная сила, как правило, воспринимается рабочей поверхностью цилиндра непосредственно от тела поршня. При таком непосредственном контакте возникают деформации как поверхности цилиндра, так и тела поршня, что ухудшает надежность уплотнения рабочей полости и приводит к ускоренному износу контактирующих поверхностей из-за их перегрева как от прорыва газов, так и от трения.
Кроме того, перегрев контактирующих деталей, а также использование трения скольжения, предусматривает наличие гарантированного зазора в сопряжении, что приводит к угловым колебаниям всего поршня вместе с головкой и кольцами. Это также приводит к снижению надежности уплотнения рабочей полости. При этом для обеспечения скольжения требуется гарантированный слой жидкой смазки на всех участках движения и на всех режимах, что является проблематичным вообще для всех возвратно-поступательно движущихся пар. В двигателе внутреннего сгорания появляется дополнительная проблема удержания смазки на перегретой поверхности цилиндра.
Размещение контактных поверхностей 18 вне цилиндра 2 позволяет разгрузить его от действия реактивных сил. Отсутствие боковых нагрузок на поверхность цилиндра 2 с обеспечением равномерности его нагрева по окружности, а также самоустановка головки 4 поршня 3 с уплотнительными кольцами, позволяют повысить надежность уплотнения рабочей полости на протяжении всего рабочего хода поршня 3.
Использование катков 21, катящихся возвратно-поступательно между контактными поверхностями 18 и 16, позволяет значительно снизить механические потери. При этом угловые колебания поршня 3, неточности его установки и относительные деформации (тепловые и механические) корпуса и цилиндра не сказываются на положении его головки 4 из-за наличия шарнира 13.
В двухтактном двигателе поршневой палец 7 испытывает однонаправленную нагрузку. Поэтому со стороны действия этой нагрузки (со стороны камеры сгорания) поверхность пальца 7 выполняется максимально возможной с обеспечением приемлемой его жесткости, а со стороны вала 32 поверхность выполняется минимальной, рассчитанной только на передачу силового воздействия шатуну 10 и удержание пальца 7 во вставке 5. Отрывных инерционных нагрузок в двухтактных двигателях не возникает, поэтому толщина стенок коробчатого ребра вставки 5 может быть относительно небольшой, что дает выигрыш при компоновке двигателя и позволяет уменьшить его размер вдоль оси цилиндра. При такой оптимизации формы пальца 7 уменьшается его масса.
Таким образом, использование описываемой шатунно-поршневой группы позволяет повысить КПД поршневых машин как за счет снижения прямых механических потерь, так и за счет улучшения условий работы цилиндропоршневой пары, повысить надежность и ресурс машин, а также улучшить их удельные массо-габаритные параметры.