ТРОНКОВЫЙ КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ СО СМЕЩЕННЫМ КОЛЕНЧАТЫМ ВАЛОМ И КРЕПЛЕНИЕМ ПОРШНЯ К ШАТУНУ ЧЕРЕЗ ПРОМЕЖУТОЧНУЮ ДЕТАЛЬ ТИПА СКОБЫ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Область техники.
Полезная модель относится к производству тронковых двигателей внутреннего сгорания.
Уровень техники.
В настоящее время применяются тронковые кривошипно-шатунные механизмы без смещения оси коленчатого вала относительно оси цилиндра, внутри которого перемещается поршень, т.е. эти оси пересекаются, а поршни, изготовленные из алюминиевых сплавов, соединяются с шатуном стальным пальцем непосредственно. Аналогом может служить двигатель автомобиля ВАЗ-2108, описанный в книге «Двигатели внутреннего сгорания» под редакцией А.С.Орлина, М.Г.Круглова. Рабочий цикл любого двигателя внутреннего сгорания имеет такт сжатия горючей смеси и такт ее сгорания и расширения (рабочий ход). Давление газов в цилиндре во время рабочего хода в несколько раз больше, чем во время такта сжатия, соответственно больше и сила Р (см. фиг.5), с которой газы действуют на поршень, и сила К, с которой поршень через палец действует на шатун, и сила N, c которой поршень давит на цилиндр. На фиг.5 изображена схема механизма со смещением оси коленчатого вала относительно оси цилиндра на размер половины радиуса кривошипа коленчатого вала, которая предлагается в данной полезной моделе, но силы указанные на ней действуют и в механизмах без смещения коленчатого вала. Сила N при движении поршня 5 вдоль цилиндра 3 создает силу трения, что приводит к износу поршня и цилиндра, а также момент на плече L, который стремится опрокинуть двигатель, создает вибрацию. Сила N зависит от угла образованного векторами сил Р и К, и чем он меньше, тем меньше и сила N. В механизмах без смещения этот угол изменяется одинаково при такте сжатия и при такте расширения, хотя сила Р при такте расширения много больше, соотвественно больше и сила N. Если максимальный угол между силой Р и К уменьшить во время такта расширения (что означает уменьшить максимум силы N), за счет увеличения этого угла при такте сжатия, что несколько увеличит силу N во время этого такта, что можно сделать путем смещения коленчатого вала, то можно получить меньший износ цилиндров и поршней двигателя и меньшую его вибрацию. В современных двигателях смещения нет, что является их недостатком. Другим недостатком является соединение поршня изготавливаемого из алюминиевых сплавов со стальным шатуном непосредственно стальным пальцем. Алюминиевые сплавы и стали имеют разные коэффициенты термического расширения. Во время работы двигателя поршни нагреваются до 300 градусов по Цельсию и посадочные отверстия под пальцы в поршнях расширяются больше чем пальцы. Чтобы это не привело к стуку пальцев, отверстия делают меньшего размера, чем нужно для движения, с учетом что при нагревании они увеличатся до нормы. При сборке с пальцем поршень нагревают, а после охлаждения получается посадка с натягом. Соединение деталей работающих в широком диапазоне температур из разнородных материалов неправильно. Алюминиевые сплавы при рабочих температурах двигателя теряют 50% своей прочности, поэтому бобышки под отверстия для пальцев делают массивными, а это большой расход дорогого алюминиевого сплава. Снять поршень для ремонта или замены можно только с шатуном, отсоединив его от коленчатого вала. Что является очень трудоемким процессом.
Раскрытие полезной модели.
Предлагаемая полезная модель направлена на устранение отмеченных выше недостатков и представляет из себя тронковый кривошипно-шатунный механизм, в котором, с целью снижения сил трения при движении поршня 5 в цилиндре 3 и уменьшения опрокидывающего двигатель момента (он равен произведению размера плеча L на силу N), положение оси коленчатого вала 2 смещено от оси цилиндра 3 влево, если смотреть на торец кривошипа коленчатого вала 2, вращающегося по часовой стрелки, на размер
равный половине размера радиуса кривошипа - 0.5R (см. фиг.1 и 5). Это даст уменьшение угла между вектором силы P (нагрузка на поршень) и вектором силы К (составляющей ее на шатун 6) во время такта расширения (рабочего хода) и соответственно уменьшение силы, направленной перпендикулярно движению поршня (сила N), и соответственно уменьшит износ поршней и цилиндров, снизит вибрацию двигателя.
Поршень 5, он изображен отдельно на фиг.3, не имеет бобышек с отверстиями под палец (это снижает его массу) и соединяется неподвижно винтами 7 с промежуточной деталью 9 типа скобы, она изображена отдельно на фиг.4. Скоба 9 (материал сталь или чугун) соединяется пальцем 8 с шатуном 6. Эта конструкция даст следующие преимущества: устраняется неправильное соединение алюминиевого поршня 5 со стальным пальцем 8, вводится правильное соединение промежуточной детали 9 с шатуном 6 пальцем 8, прочность днища поршня увеличена скобой многократно и улучшилось его охлаждение, экономия алюминиевого сплава (до 40%), можно снять поршень для ремонта, не снимая шатун, отсутствие массивных бобышек в поршне исключит несимметричное расширение его при нагреве в двигателе, а значит исключит несимметричную его механическую обработку в производстве. Сумма масс нового поршня и скобы не будет превышать массу поршня старой конструкции.
Описание чертежей и работы механизма.
На фиг.1 изображен предлагаемый тронковый кривошипно-шатунный механизм. Коленчатый вал 2 установлен в опорах 1 смещенных относительно оси цилиндра 3 на размер половины радиуса кривошипа - 0.5R (R - радиус кривошипа коленчатого вала). На шейке кривошипа закреплен шатун 6, который с другой стороны соединен подвижно пальцем 8 (см. фиг.2) со скобой 9 (она отдельно изображена на фиг.4), которая неподвижно винтами 7 соединена с поршнем 5 (он отдельно изображен на фиг.3). В двигателе механизм работает от сил создаваемых расширяющимися газами, образующимися в результате горения горючей смеси, поступающей в цилиндр 3 через клапаны 4. На фиг.5 изображена условная схема механизма с указанием основных сил действующих в нем, имеющих отношение к предлагаемой моделе.
Осуществление полезной модели.
Внедрение полезной модели не представит трудностей, так как в ней использованы обычные конструкторские приемы и решения, проверенные временем.