Кривошипно-шатунный механизм поршневой машины

Полезная модель относится к преобразующим механизмам поршневых машин и может быть использована в поршневых двигателях, компрессорах, насосах и пр.
Наиболее известны кривошипно-шатунные механизмы, содержащие кривошип, подвижно установленный в подшипниках корпуса коренными шейками и шарнирно связанный с шатуном; поршневой палец, сочлененный с шатуном и поршнем, движущимся в цилиндре (корпусе). Недостатком кривошипно-шатунного механизма является увеличение габаритной длины многоцилиндровой поршневой машины при рядном и V-образном расположении цилиндров. Уменьшение длины возможно при звездообразном расположении цилиндров, когда многие (все) шатуны связываются с одним и тем же кривошипом коленчатого вала. Наиболее известным и распространенным является такой механизм, содержащий один главный шатун, подвижно сочлененный с шатунной шейкой кривошипа, и несколько прицепных шатунов, также шарнирно связанных с главным шатуном. Все шатуны при этом располагаются в одной плоскости. В двигателях внутреннего сгорания с таким механизмом могут быть реализованы двухтактный и четырехтактный рабочие процессы. Недостатком кривошипно-шатунных механизмов с прицепными шатунами является то, что все поршни перемещаются в соответствии с различными законами движения, что приводит к увеличению неуравновешенности и виброактивности поршневой машины. Известен механизм «Нордберг» [Ливенцев, Ф.Л. Двигатели со сложными кинематическими схемами. Кинематика, динамика и уравновешивание / Ф.Л. Ливенцев. - Л.: Машиностроение, 1973. - 176 с.] для звездообразной поршневой машины, в котором все поршни движутся по одинаковым законам. Недостатком механизма «Нордберг» является усложнение конструкции, обусловленное увеличением числа подвижных звеньев. В двигателях с механизмом «Нордберг» также могут быть реализованы двухтактный и четырехтактный рабочие процессы. В литературе описан механизм «Пенкейк» (известный также под названием «Лоуренс») [http://enginehistory.org/CAD/index.php#PWR-1340], в котором все поршни при звездообразном расположении цилиндров также перемещаются по одинаковым законам. Известно применение механизма в судовых двухтактных дизелях (под названием «Пенкейк») и четырехтактных авиационных двигателях (под названием «Лоуренс»). Этот механизм включал кривошип с удлиненной шатунной шейкой, на который опирались кривошипные головки нескольких шатунов. Кривошипные головки имели форму цилиндрических секторов, длина которых была равна (с учетом необходимых зазоров) длине шатунной шейки. Наружная и внутренняя поверхности кривошипных головок и наружная поверхность шатунной шейки были соосны. Концевые участки кривошипных головок всех шатунов охватывались снаружи стяжными полукольцами. Вследствие этого обеспечивался постоянный контакт внутренних поверхностей кривошипных головок и наружной поверхности шатунной шейки. Внутренние поверхности стяжных полуколец выполняли роль подшипника. При реализации двухтактного цикла наружная поверхность кривошипных головок шатунов практически не сопрягалась с внутренней цилиндрической поверхностью стяжных полуколец, поскольку суммарные движущие силы при этом действуют только в направлении оси вращения коленчатого вала. При реализации четырехтактного цикла неизбежно сопряжение наружных поверхностей кривошипных головок шатунов со стяжными полукольцами, что обусловливает увеличение потерь на трение. Недостатком механизма «Пенкейк» является увеличение числа подвижных звеньев по сравнению с простейшим кривошипно-шатунным механизмом в связи с необходимостью применения полуколец. Кроме того, по этой же причине неизбежно увеличивается длина шатунной шейки, что отрицательно сказывается на ее прочности и жесткости. Одновременно с этим возрастает сложность сборки поршневой машины с таким механизмом.
Проведение поиска с ретроспективой на 15-20 лет в базах Orbit, WIPO, ФИПС не позволил выявить более современного прототипа, чем представленного ниже.
Наиболее близким конструктивным аналогом является кривошипно-шатунный механизм по авторскому свидетельству [а.с. СССР №242598, МПК F02f). Кривошипно-шатунный механизм. - Опубл. 25.IV.1969. - Бюл. №15], принятый в качестве прототипа. Кривошипно-шатунный механизм для двухтактного двигателя внутреннего сгорания с радиальным расположение цилиндров и горизонтальным расположением оси коленчатого вала, содержащий шатуны, прикрепленные к шатунной шейке стяжными полукольцами. На щеках коленчатого вала, соосно с шатунной шейкой, выполнены кольцевые выточки для концевых участков кривошипных головок шатунов и стяжных полуколец. В кольцевых выточках щек кривошипа частично располагаются участки кривошипных головок шатунов и стяжные полукольца.
Недостатком прототипа является сложность конструкции и технологии сборки механизма, обусловленная большим количеством подвижных деталей.
Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции и технологии сборки механизма.
Это достигается за счет того, что предлагается кривошипно-шатунный механизм поршневой машины, содержащий поршни, посредством поршневых пальцев шарнирно связанные с поршневыми головками шатунов, кривошипные головки которых выполнены в форме цилиндрических секторов, охватывающих подшипник, установленный на шатунной шейке кривошипа, в щеках которого выполнены кольцевые выточки, соосные с шатунной шейкой. Кривошип выполнен разъемным, в кольцевых выточках щек разъемного кривошипа установлены подшипники качения, внутренние обоймы которых целиком охватывают наружные поверхности всех кривошипных головок шатунов.
При этом стяжные полукольца из конструкции исключаются, а их роль выполняют щеки разъемного кривошипа вместе с установленными в них подшипниками качения.
На фиг. 1 показано устройство кривошипно-шатунного механизма поршневой машины.
На фиг. 2 показан разрез кривошипно-шатунного механизма продольной плоскостью, проходящей через ось вращения кривошипа и ось одного из цилиндров.
Разъемный кривошип состоит из двух половин 1 и 2, причем, плоскость разъема проходит через среднее сечение шатунной шейки перпендикулярно оси вращения. Обе половины кривошипа стягиваются болтом 3 с гайкой 4. На обеих щеках кривошипа с внутренней стороны выполнены цилиндрические выточки 5, соосные с шатунной шейкой 6. В выточках 5 неподвижно по отношению к щекам установлены подшипники качения 7. Внутренняя обойма каждого подшипника охватывает наружные цилиндрические поверхности 8 кривошипных головок всех шатунов 9. Соосно с поверхностями 8 выполнены внутренние поверхности 10 кривошипных головок, которые опираются на подшипник 11, устанавливаемый на шатунную шейку. Кривошипная головка каждого шатуна имеет форму цилиндрического сектора, длина которого равна длине шатунной шейки. Поршневые головки шатунов при помощи поршневых пальцев 12 соединяются с поршнями 13, которые движутся в цилиндрах поршневой машины. Коренные шейки кривошипов подвижно сочленяются с корпусом поршневой машины при помощи подшипников 14.
Преобразующий механизм собирается следующим образом. Первоначально в выточку 5 каждой половины разъемного кривошипа устанавливается подшипник 7. На шатунную шейку одной из половин кривошипа надевается подшипник 11. В кольцевой промежуток между подшипниками 7 и 11 вставляются кривошипные головки шатунов, предварительно собранных с поршневыми пальцами 12 и поршнями 13. Вторая половина кривошипа устанавливается таким образом, чтобы внутренняя обойма подшипника 7 охватила с противоположной стороны кривошипные головки всех шатунов. Обе половины кривошипа стягиваются болтом 3 с гайкой 4. Далее собранный механизм устанавливается в подшипники 14 разъемного корпуса поршневой машины.
Упрощение конструкции механизма достигается за счет сокращения числа звеньев: исключаются стяжные полукольца, а их роль выполняют подшипники, устанавливаемые в кольцевые выточки в щеках разъемного кривошипа.
Применение подшипников качения одновременно обеспечивает снижение потерь на трение без принудительной подачи масла к ним.