САМОУСТАНАВЛИВАЮЩИЙСЯ ШАТУН
SELF-ALIGNING PISTON-ROD

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в строительной, металлургической, горно-рудной промышленностях для повышения надежности и долговечности машин, имеющих в своем составе кривошипно-ползунные механизмы, работающие с большими нагрузками.
Известен шатун, содержащий верхнюю головку, стержень и нижнюю головку [1, с. 31], [2, с. 532], [3, с. 70, фиг. 28, фиг. 30].
Отмеченный тип шатуна не имеет возможности самоустанавливаться, требует монтажа эксцентрикового вала в корпусах с расточками под подшипники с одной установки. В случае расположения эксцентрикового вала в подшипниках, помещенных в отдельных корпусах, шатун нуждается в высокой точности монтажа эксцентрикового вала и оси, расположенной в верхней головке шатуна. Механизм собирается с натягом и подвержен износу даже без нагрузки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является шатун [4, с. 70, рис. 2.27], включающий в свой состав нижнюю головку с цилиндрическим подшипником скольжения, стержень и верхнюю головку с шаровой опорой.
Данный шатун самоустанавливается за счет поворота шаровой опоры верхней головки и осевого скольжения подшипника нижней головки по валу эксцентрика. Самоустановка за счет скольжения может устраниться в случае недостаточной смазки, недостаточной длины подшипника или чрезмерной длины шатуна, когда создается самоторможение и защемление вала в подшипнике.
Подшипник при самоустановке работает с неравномерной нагрузкой по его длине, подвержен ускоренному износу в перегруженных частях и требует постоянного надзора.
Задачей изобретения является создание самоустанавливающегося шатуна с надежным процессом самоустановки, с высоким коэффициентом полезного действия, могущего работать с большими нагрузками (до 200 т.с.) при использовании в его конструкции серийных подшипников качения.
Поставленная задача достигается тем, что в известном самоустанавливающемся шатуне [4, с. 70, рис. 2.27], включающем верхнюю и нижнюю головки, стержень, в обеих головках предлагаемого шатуна внутри установлены шарнирные подшипники [5, с. 155], [6, с. 102], наружные кольца которых помещены в цилиндрические расточки головок, во внутренних кольцах шарнирных подшипников размещены до трех подшипников качения, зафиксированных в осевом направлении внутренними концентричными кольцами [5, с. 229], возможность поворота наружных колец шарнирных подшипников в головках шатуна устранена ввернутыми в головки стопорными болтами, а между наружным и внутренним кольцами шарнирного подшипника нижней головки шатуна по оси, перпендикулярной оси стержня, установлены по диаметру колец шарнирного подшипника осевые болты с возможностью поворота внутреннего кольца шарнирного подшипника относительно оси болтов.
На фиг. 1 - предлагаемый самоустанавливающийся шатун; на фиг. 2 - разрез шатуна по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез В-В на фиг. 1.
Самоустанавливающийся шатун содержит верхнюю головку 1 (фиг. 1 и 2), крышку 2 верхней головки 1; наружное кольцо 3 шарнирного подшипника верхней головки 1; внутреннее кольцо 4 шарнирного подшипника верхней головки 1; концентрические кольца 5 верхней головки 1; подшипники качения 6 верхней головки 1; стопорный болт 7 верхней головки 1; стержень 8; нижнюю головку 9; наружное кольцо 10 шарнирного подшипника нижней головки 9; внутреннее кольцо 11 шарнирного подшипника нижней головки 9; концентрические кольца 12 нижней головки 9; подшипники качения 13 нижней головки 9; шатунные болты 14 (фиг. 1 и фиг. 3) нижней головки 9; стопорный болт 15 нижней головки 9; осевые болты 16 (фиг. 3) нижней головки 9.
Верхняя головка 1 установлена на оси 17 (фиг. 2) ползуна, а нижняя головка 9 установлена на кривошипе 18 (фиг. 2 и 3), таким образом, шатун входит в состав кривошипно-ползунного механизма.
Предлагаемый шатун работает следующим образом. При движении шатун передает нагрузку, направленную вдоль оси ос (фиг. 1 и 2) стержня 8. Величина допускаемой нагрузки определяется установленными в головках 1 и 9 подшипниками 6 и 13. Использование трех подшипников качения, вместо обычно одного самоустанавливающегося, позволяет довести нагрузку до 200 т.с., применив серийные подшипники, например, серии 92000.
КПД подшипников качения 6 и 13 в каждой головке шатуна составляет 99% или на весь шатун η=0,98, что выше КПД шатуна-аналога.
5
Конструкция шатуна не только существенно увеличивает нагрузочную способность кривошипно-ползунного механизма в целом, но и создает механизм без избыточных связей. Плоский кривошипно-ползунный механизм (m=3) состоит из трех подвижных звеньев (n=3) и четырех кинематических пар пятого класса (р). По формуле [7] Колчина Н.И. число избыточных связей в нем .
4
3
Нижняя головка шатуна, соединенная с кривошипом, в предлагаемой конструкции, имеет две подвижности, т.е. представляет кинематическую пару четвертого класса (р), а верхняя головка шатуна, которая соединена с ползуном, имеет три возможных движения и относится к паре третьего класса (p), это дает возможность без натягов собрать звенья между собой в данном механизме. По [7] , а учитывая, что подвижность механизма W=1, получаем . При отсутствии избыточных связей q механизм является самоустанавливающимся.
Таким образом достигается поставленная задача.
Источники информации
1. Легковые автомобили ВАЗ: конструкция и техническое обслуживание / Ершов Б.В., Юрченко М.А. - 7-е изд., перераб. и доп. - Киев: Вища школа. Головное издательство, 1982. - 177 с.
2. Крайнев А.ф. Словарь-справочник по механизмам. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: машиностроение, 1987. - 560 с., ил.
3. Машиностроение. Энциклопедический справочник. Раздел четвертый. Конструирование машин. Т. 10 - М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы. - 1948.
4. Решетов Л.Н. Самоустанавливающиеся механизмы: Справочник. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение. 1985. - 272 с., ил.
5. Васильев В.З., Кохтев А.А., Цацкин B.C., Шапошников К.А. Справочные таблицы по деталям машин. В 2-х томах. Т. II. 5-е изд., испр. и доп. - М.: Изд. Машиностроение, 1966. - 600 с.
6. Детали машин. Сборник материалов по расчету и конструированию в двух книгах. Книга II. Под ред. д.т.н., профессора Н.С. Ачеркана. 2-е изд., испр. и доп. - М.: Машгиз, 1953.
Гудимова Л.Н. Проблемы исключения избыточных связей в плоских шарнирных механизмах. Фундаментальные исследования, ИД «Академия естествознания», 2013, №6, часть 1, с. 24-32, ISSN 1812-7339.