ШАРНИРНЫЙ УЗЕЛ ПОРШНЕВОЙ МАШИНЫ
HINGED JOINT OF PISTON MACHINE

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к поршневым машинам, преимущественно к двигателям внутреннего сгорания.
Известен поршневой шарнирный узел, содержащий палец, установленный в отверстиях поршня, и шатун с головкой, в которой выполнено отверстие, при этом палец размещен в отверстии головки посредством элементов качения, а в части головки, ближайшей к днищу поршня, выполнены сквозные прорези для прохода к элементам качения смазывающей среды (US 5353759 A, опубл. 11.10.1994).
Недостатком известного узла является отсутствие возможности самоустановки шатуна или пальца относительно поршня в плоскости, перпендикулярной плоскости качания шатуна. Для надежной работы известного узла требуется абсолютная точность соблюдения перпендикулярности продольной оси цилиндра к оси вращения вала. Кроме того, требуется также соблюдение условия параллельности оси кривошипа и оси вращения вала. Известно, что обеспечить абсолютную точность при изготовлении и сборке изделий невозможно и, даже при соблюдении всех условий, в нагруженных механическими и термическими нагрузками машинах происходят деформации корпусов и подвижных элементов, что приводит к повышенным механическим потерям или к заклиниванию механизма.
Известен поршневой шарнирный узел, содержащий шатун со сферической головкой, установленной в ответном сферическом отверстии поршня, при этом на поверхности головки выполнены вырезы для подвода смазки к трущимся поверхностям (см. патент US 4938121 A, опубл. 03.07.1990).
В известном узле решена проблема самоустановки шатуна относительно поршня. Недостатками известного узла являются повышенные механические потери из-за трения скольжения при его работе, а также необходимость подачи смазки под давлением к трущимся поверхностям.
Известен поршневой шарнирный узел, содержащий шатун, соединенный с поршнем посредством карданного шарнира (см. патент US 1427361 А, опубл. 29.08.1922). В известном узле сложное движение в шарнире разделено на два простых в перпендикулярных плоскостях, что позволяет использовать элементы качения, по крайней мере, в плоскости с наибольшей амплитудой качания, а именно в плоскости качания шатуна.
Недостатками известного узла являются повышенные габариты и масса, что является недопустимым при использовании его в быстроходных машинах.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является поршневой шарнирный узел объемной машины, содержащий поршень с установленным в отверстиях поршня поршневым пальцем, шатун с головкой, в которой выполнено отверстие и шарнирная вставка с внешней сферической поверхностью и внутренним цилиндрическим отверстием, установленная внутри отверстия головки шатуна с возможностью углового поворота вставки относительно головки (см. патент US 1491155 A, опубл. 22.04.1924). В известном узле также возможно использование элементов качения в плоскости с наибольшей амплитудой качания.
Недостатками известного узла являются сложность изготовления и сборки за счет разъемного соединения головки шатуна, а также отсутствие конструктивных элементов для обеспечения смазки подвижных пар.
Техническим результатом является повышение надежности работы поршневой машины за счет самоустановки звеньев механизма преобразования с обеспечением подвода смазки к взаимодействующим его поверхностям при минимальных габаритах узла и массе.
Поставленная задача достигается тем, что в шарнирном узле поршневой машины, содержащей поршень с поршневым пальцем, кривошип с кривошипным пальцем и шатун с поршневой и кривошипной головками, в отверстии, по меньшей мере, одной головки шатуна установлена шарнирная вставка с возможностью углового ее поворота относительно головки, при этом, по меньшей мере, поршневой палец или кривошипный палец размещен внутри цилиндрического отверстия вставки посредством элементов качения, согласно изобретению головка шатуна, в которую установлена шарнирная вставка, выполнена неразъемной, поворот вставки относительно отверстия головки шатуна ограничен в плоскости, перпендикулярной направлению перемещения поршня, и в плоскости, перпендикулярной продольной геометрической оси пальца, посредством, по меньшей мере, одного фиксатора, а в части шарнирной вставки, противоположной стержню шатуна при расположении ее в отверстии головки, выполнены сквозные отверстия круглой или щелевой формы и/или торцевые вырезы для прохода к элементам качения и к сферической поверхности вставки охлаждающей и/или смазывающей среды, находящейся в объеме под поршнем.
Поставленная задача достигается также тем, что внутренняя поверхность отверстия головки шатуна может быть выполнена сферической, а вставка своей внешней сферической поверхностью контактирует со сферической поверхностью отверстия головки, либо поверхность отверстия головки шатуна может быть выполнена цилиндрической, шарнирная вставка снабжена наружной обоймой с внутренней сферической поверхностью, контактирующей с внешней сферической поверхностью вставки, при этом наружная поверхность обоймы выполнена цилиндрической и контактирует с внутренней поверхностью отверстия головки, а в части обоймы, противоположной стержню шатуна, выполнены сквозные отверстия круглой или щелевой формы и/или торцевые вырезы.
Поставленная задача достигается также тем, что на сферической поверхности вставки может быть срезан, по меньшей мере, один сегмент с образованием плоской фиксирующей поверхности, параллельной направлению перемещения поршня, а фиксатор выполнен в виде сухаря с плоской поверхностью, контактирующей с фиксирующей поверхностью вставки с возможностью ограничения ее углового поворота относительно головки шатуна в двух плоскостях.
Поставленная задача достигается также тем, что в части головки шатуна, противоположной стержню шатуна, могут быть выполнены сквозные отверстия круглой или щелевой формы и/или торцевые вырезы.
Изобретение поясняется при помощи чертежей.
На фиг. 1 показан продольный разрез поршневого узла поршневой машины, вариант выполнения с дополнительной обоймой;
На фиг. 2 - то же при самоустановке узла;
На фиг. 3 показан вариант выполнения с установкой шарнирной вставки непосредственно в головку шатуна;
На фиг. 4 показана схема сборки узла с дополнительной обоймой;
На фиг. 5 - пример выполнения торцевых вырезов на шарнирной вставке.
Заявленный поршневой шарнирный узел объемной машины содержит поршень 1 с днищем 2 и установленным в отверстиях 3 поршня 1 поршневым пальцем 4, шатун 5 с поршневой головкой 6, в которой выполнено отверстие 7 (фиг. 3), и кривошипной головкой 8 с отверстием 9, в котором размещен палец кривошипного вала (на чертежах не показаны), шарнирную вставку 10 с внешней сферической поверхностью 11 и внутренним цилиндрическим отверстием 12 (фиг. 3), установленную внутри отверстия 7 головки 6 шатуна 5 с возможностью углового поворота относительно головки 6. Палец 4 размещен внутри цилиндрического отверстия 12 вставки 10 посредством элементов качения 13. При этом головка 6 шатуна 5 выполнена неразъемной, поворот вставки 10 относительно отверстия 7 головки 6 шатуна 5 ограничен в плоскости, перпендикулярной направлению 14 перемещения поршня 1, и в плоскости, перпендикулярной продольной геометрической оси 15 пальца 4, посредством фиксатора 16. В части шарнирной вставки 10, противоположной стержню шатуна 5 или, в показанном варианте, ближайшей к днищу 2 поршня 1, выполнены сквозные отверстия 17 круглой или щелевой формы и/или торцевые вырезы 18 для прохода к элементам качения 13 и к сферической поверхности 11 вставки 10 охлаждающей и/или смазывающей среды, находящейся в объеме под поршнем 1.
Внутренняя поверхность отверстия 7 головки 6 шатуна 5 может быть выполнена сферической, а вставка 10 своей внешней сферической поверхностью 11 контактирует со сферической поверхностью отверстия 7 головки 6. Либо внутренняя поверхность отверстия 7 головки 6 шатуна 5 может быть выполнена цилиндрической, шарнирная вставка 10 снабжена наружной обоймой 19 с внутренней сферической поверхностью 20, контактирующей с внешней сферической поверхностью 11 вставки 10. При этом наружная поверхность 21 обоймы 19 выполнена цилиндрической и контактирует с внутренней поверхностью отверстия 7 головки 6, а в части обоймы 19, противоположной стержню шатуна 5 или, в показанном варианте, ближайшей к днищу 2 поршня 1, выполнены сквозные отверстия 22 круглой или щелевой формы и/или торцевые вырезы (на чертежах не показаны) как, например, вырезы 18 на обойме 10.
На сферической поверхности 11 вставки 10 может быть срезан, по меньшей мере, один сегмент с образованием плоской фиксирующей поверхности 23, параллельной направлению 14 перемещения поршня 1, а фиксатор 16 выполнен в виде сухаря с плоской поверхностью 24, контактирующей с фиксирующей поверхностью 23 вставки 10 с возможностью ограничения ее углового поворота относительно головки 6 шатуна 5 в двух плоскостях. При этом сторона фиксатора 16, противоположная плоскости 24, контактирует с опорной поверхностью 25 либо обоймы 19, либо головки 6. Для предотвращения сдвигания фиксатора 16 относительно поверхности 23 во вставке 10 и в фиксаторе 16 могут быть выполнены отверстия 26 и, соответственно, 27, в которые вставлен фиксирующий штифт (на чертежах не показан).
В части головки 6 шатуна 5, ближайшей к днищу 2 поршня 1, также могут быть выполнены сквозные отверстия 28 круглой или щелевой формы и/или торцевые вырезы, как, например, вырезы 18 вставки 10.
В отверстии 9 кривошипной головки 8 шатуна 5 также может быть установлена описанная выше сферическая шарнирная вставка. При этом прорези или вырезы в деталях шарнира и в головке 8 ориентированы так же относительно стержня шатуна 5, как и в описанном выше случае. При этом шарнирные вставки могут быть установлены одновременно в обеих головках шатуна 5.
Описываемый узел в составе поршневой машины на примере поршневого узла работает следующим образом. Возвратно-поступательное перемещение поршня 1 преобразуется посредством шатуна 5 во вращение кривошипного вала (на чертежах не показан). Условием работоспособности плоского кривошипно-шатунного механизма является, в частности, перпендикулярность (в плоскости, перпендикулярной плоскости качания шатуна) геометрической оси цилиндра (на чертежах не показан), в котором перемещается поршень 1, и геометрической оси пальца кривошипа (на чертежах не показан), входящего в отверстие 9 кривошипной головки 8 шатуна 5. Отклонение от указанного условия приводит к значительному повышению механических потерь машины. Кроме геометрического или статического условия работоспособности накладываются дополнительные динамические и термические условия, возникающие в тепловых машинах с повышенными газовыми и инерционными нагрузками в механизме, например в форсированных двигателях внутреннего сгорания. Так, при работе машины деформации механические и термические приводят к нарушению условия перпендикулярности осей. В наибольшей степени указанные явления проявляются в двигателях с одиночными цилиндрами, не объединенными в блок, имеющий повышенную жесткость.
Введение дополнительной степени свободы в поршневой шарнирный узел позволяет снизить требования к точности изготовления и сборки машины, а также повысить надежность работы машины при повышенных нагрузках. При этом узел является высокотехнологичным, например, в качестве сферической пары может использоваться выпускаемый серийно шарнирный подшипник ШС, ШМ или ШСП. Наибольшая степень форсирования может быть достигнута именно в двухтактных поршневых двигателях, в которых нагрузки на шарниры являются однонаправленными. Поэтому вставка 10 и (в варианте выполнения) ее обойма 19 максимально облегчены путем выполнения со стороны, ближайшей к днищу 2 поршня 1, сквозных отверстий 17 и 22 круглой или щелевой формы, через которые к элементам качения 13 и поверхностям скольжения вставки 10 и обоймы 19 поступает смазка в воздушно-капельном виде. В головке 6 шатуна 5 со стороны днища 2 поршня 1 также выполнены отверстия 28 как для облегчения, так и для прохода смазки. Фиксация вставки 10 в двух плоскостях необходима для сохранения заданной ориентации отверстий 17 как с точки зрения обеспечения нагрузочной способности поверхностей вставки 10, так и прохода смазки.
Как показано на фиг. 2 чертежей, отклонение геометрической оси цилиндра и, соответственно, направления 14 перемещения поршня 1 на угол φ от продольной оси шатуна 5, определяемой положением геометрической оси пальца кривошипа (не показаны), не приводит к нарушению работы механизма преобразования машины.
Таким образом, использование заявленного изобретения позволяет повысить надежность работы поршневых машин при повышенных нагрузках и/или сниженных требованиях к точности изготовления деталей машины.