КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ

Кривошипно-шатунный механизм
Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована преимущественно в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), а также в других устройствах, где необходимо преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот.
Современные классические ДВС, содержащие в своей конструкции традиционный кривошипно-шатунный механизм (КШМ), состоящий из триединого звена поршень-шатун-кривошип, имеют два основных недостатка, обусловленных неразрывным узлом сочленения шатуна с кривошипом.
Первый недостаток - шатун, прикрепленный к шейке кривошипа, описывает большую траекторию в плоскости, перпендикулярной оси, проходящей через верхнюю мертвую точку (ВМТ) и нижнюю мертвую точку (НМТ), что вызывает сильное воздействие боковой силы от реактивного момента, прижимающей поршень к стенкам цилиндра и большое трение. Это снижает КПД ДВС. Механические потери здесь достигают 38%, КПД не превышает 0,85. Для устранения этого негативного явления, были изначально созданы двигатели, с крейцкопфным КШМ, где был достигнут высокий КПД до 0,9, но относительно большая масса и большие вертикальные габариты такого двигателя исключают его использование в наземном транспорте, и ограничивают сферу применения в ряде силовых корабельных установок.
Второй недостаток заложен в самой природе устройства КШМ, состоящий из шарнирно сочлененных звеньев между собой в виде поршня шатуна и кривошипа, что в купе задает весь тон работы ДВС в целом. Для начала осуществления рабочего хода поршня в цилиндре ДВС, находящегося в ВМТ, необходимо некоторое изначальное отклонение центра оси кривошипа от оси, проходящей через ВМТ-НМТ, в результате которого вызывается вращающий момент коленчатого вала ДВС.С увеличением отклонения по ходу движения от ВМТ (т.е. с увеличением длины плеча относительно оси, проходящей через ВМТ-НМТ) достигается максимум вращающего момента между ВМТ и НМТ, который довольно быстро уменьшается при движении к НМТ. Поэтому, для извлечения высокого крутящего момента необходимо поддерживать высокие обороты коленчатого вала относительно центра его вращения, что вызывает большой расход топлива.
Известен механизм привода ползуна по патенту России на изобретение №2150624, F16H 21/16, F01B 9/02, F02B 75/32, содержащий кривошип и ползун с шатунами соответственно, направляющие зубчатые рейки и входящие в зацепление друг с другом зубчатые колеса, имеющие возможность движения по указанным рейкам и подвижно соединенные с шатунами ползуна и кривошипа соответственно.
Данный механизм частично устраняет первый недостаток КШМ, уменьшая нагрузки на стенки цилиндра от боковых сил, однако не устраняет второй недостаток КШМ.
Кроме того, наличие зубчатого зацепления усложняет конструкцию, снижая надежность в работе, увеличивает трудозатраты на производство и стоимость ремонта. В случае выхода из строя одного зубчатого колеса необходима замена и другого, связанного с ним, так как в процессе работы они притираются друг к другу до оптимального зацепления или изнашиваются до появления люфта, а это разбалансирует работу всего механизма.
Известен дезаксиальный кривошипно - ползунный механизм Яримова по патенту России на изобретение №2267672, F16H 21/00, содержащий кривошип и ползун, шарнирно соединенные с шатуном. Повышение КПД (эффективности) достигается тем, что дезаксиальный кривошипно-шатунный механизм выполнен с относительной величиной расстояния между осью перемещения ползуна и центром вращения кривошипа в интервале параметров 0,25<ξ<7,0 и собственным энергетическим параметром механизма А, который вычисляют по определенной предложенной формуле.
Однако данный механизм не устраняет первый и второй недостатки, присущие традиционному КШМ.
Известен также шатунно-коромысловый механизм В.А.Ворогушина по патенту России на изобретение №2351784, F02B 75/32, принятый за прототип, содержащий кривошип и шатун кривошипа, шарнирно соединенный нижней головкой с шейкой кривошипа, а верхней - с боковой поверхностью коромысла и через него с шарниром нижней головки поводка поршня, выполняющего функцию шатуна поршня. Коромысло имеет центр качания на свободном конце.
Данный механизм устраняет (в большей части) первый недостаток КШМ, уменьшая нагрузки на стенки цилиндра от боковых сил, благодаря введению коромысла - как передаточного звена, снимающего основные боковые нагрузки с тронка поршня, но не имеющего непосредственного контакта с шейкой кривошипа, так-как передача движущей силы для вращения кривошипа происходит через шатун.
В результате весь механизм сильно усложняется, благодаря наличию излишних кинематических связей, и увеличиваются его габариты. С введением шатуна кривошипа образуется традиционный КШМ, в котором сохраняется присущий для всех классических ДОС второй недостаток КШМ, это малый съем мощности с выходного вала двигателя при его малых оборотах. Поэтому, для получения большого крутящего момента на валу двигателя поддерживают высокие обороты, что ведет к повышенному расходу топлива.
Кроме того, ДВС, содержащие в своей конструкции КШМ, имеют еще один общий недостаток. Это невозможность проведения качественной продувки цилиндров от продуктов сгорания из-за скоротечности происходящих внутренних процессов в цилиндре и малого времени их удаления. Это время уменьшается с увеличением оборотов двигателя, что вынуждает производить выпуск отработанных газов несколько раньше прихода поршня в НМТ, но и это не позволяет полностью удалить продукты сгорания из цилиндра, негативно влияя на качество заряда цилиндра топливной смесью и существенно снижая КПД двигателя.
Задачей полезной модели является извлечение максимального крутящего момента на валу двигателя при уменьшенном расходе топлива (пара) и упрощение конструкции.
Кривошипно-шатунный механизм содержит содержащий кривошип и шатун, один конец которого связан с поршнем цилиндра, а другой - шарнирно связан с кривошипом через передаточное звено, имеющее неподвижный центр качания на свободном конце.
В отличие от прототипа передаточное звено выполнено в виде одноплечего рычага, имеющего по длине замкнутый направляющий паз, в котором установлена снабженная подшипником шейка кривошипа с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль рычага.
Направляющий паз имеет криволинейную форму или прямолинейную форму.
Конфигурация паза выполнена с обеспечением задержки рабочего хода поршня в крайнем нижнем положении для полного удаления продуктов сгорания из цилиндра.
Выполнение передаточного звена в виде одноплечего рычага с замкнутым пазом по его длине, по которому перемещается шейка кривошипа, обеспечивает:
- связь кривошипа с шатуном, без излишней кинематической связи, что уменьшает габариты и упрощает конструкцию;
- во время работы - максимальное сближение друг к другу ВМТ и НМТ в сторону центра качания рычага, при минимальной траектории движения конца шатуна, что практически устраняет механические потери на трение поршня о стенки цилиндра;
- ускоренный обратный ход поршня, что позволяет увеличить время на максимальное использование работы расширяющихся газов.
Небольшая криволинейность паза рычага, оптимальной формы, например, синусоидальной, обеспечивает плавную задержку поршня в цилиндре, после его рабочего хода в крайнем нижнем положении для полного удаления продуктов сгорания из цилиндра. Время задержки можно менять конфигуацией паза. Это позволяет оптимизировать работу цилиндро-поршневой группы с полным удалением продукте сгорания, без потери времени (компенсируя его ускоренным обратным ходом поршня в цилиндре), что необходимо при использовании устройства в ДВС.
В результате, за счет максимально используемой работы расширяющихся газов в цилиндре развивается максимальный крутящий момент на валу двигателя на всей траектории движения шейки кривошипа (верхнем и нижнем полукружье), что повышает КПД двигателя при экономии топлива.
При использовании устройства в паро-поршневых двигателях (ППД), где не нужна продувка цилиндра от продуктов сгорания, так как рабочим телом является пар, наиболее оптимален вариант выполнения направляющего паза прямолинейной формы.
Снабжение подшипником шейки кривошипа улучшает передачу ему энергии рычагом при минимальном трении качения.
Конструкция механизма, обеспечивающая полное удаление продуктов сгорания, позволяет эффективно использовать его не только в наиболее энергетически экономичных двухтактных ДВС, но и в парогазовых силовых установках, поршневых компрессорах, летательных аппаратах и других механизмах, имеющих в конструкции кривошип, что расширяет эксплуатационные возможности.
Таким образом, все признаки являются существенными и решают поставленную задачу.
Устройство представлено на чертежах.
Фиг.1 Кривошипно-шатунный механизм с пазом рычага криволинейной формы, общий вид.
Фиг.2 Разрез Α-A на фиг.1.
Фиг.3 Положение рычага в ВМТ и НМТ с пазом рычага криволинейной формы, увеличено.
Фиг.4 Кривошипно-шатунный механизм с пазом рычага прямолинейной формы, общий вид.
Фиг.5 Разрез Α-A на фиг.4.
Фиг.6 Положение рычага в ВМТ и НМТ с пазом рычага прямолинейной формы, увеличено.
Кривошипно-шатунный механизм содержит кривошип 1 и шатун 2, один конец которого связан с поршнем 3 цилиндра, а другой - шарнирно связан с концом одноплечего рычага 4, имеющего направляющий паз 5 криволинейной (для ДВС), фиг.1, 3 или прямолинейной формы (для ППД), фиг.4, 6. Другой конец рычага 4 шарнирно закреплен к корпусу двигателя (не показано) с возможностью качания вокруг неподвижного центра закрепления 6. В пазу 5 установлена шейка 7 кривошипа 1 с напрессованным на нее подшипником (не показано) с возможностью возвратно-поступательного перемещения в пазу 5 вдоль рычага 4. Конфигурация паза 5 выполнена с обеспечением задержки рабочего хода поршня в крайнем нижнем положении для возможности полного удаления продуктов сгорания из цилиндра и ускоренным обратным ходом.
При выполнении паза криволинейной формы механизм работает следующим образом. При прямом рабочем ходе поршень 3 перемещается от ВМТ к НМТ, это соответствует и крайним положениям рычага 4 - верхнему I и нижнему II. При этом движение от поршня 3 через шатун 2 передается на рычаг 4, который своею верхнею ветвью 8 паза 5 воздействует через подшипник на шейку 7 кривошипа и вращает кривошип 1, по часовой стрелке. Подшипник катится по пазу 5, перемещаясь вдоль него вправо с шейкой 7 кривошипа, удаляясь от центра 6. При прохождении шейки 7 кривошипа 1 через горизонталь ОД (середина между крайними положениями I и II рычага 4) она начинает движение в пазу 5 в обратном направлении влево, приближаясь к центру 6, опираясь на верхнюю ветвь 8 паза, и доходит до НМТ, рычаг 4 - в крайнем нижнем положении II.
Далее поршень 3 и рычаг 4 пребывают некоторое время (регулируемое конфигурацией паза 5 для разных механизмов) в фиксированном положении, в течение которого происходит продувка - полное удаление продуктов сгорания из цилиндра. При этом шейка 7 кривошипа 1 продолжает свое перемещение в пазу 5 влево, вращаясь по круговой траектории (почасовой стрелке), относительно точки О на угол ВОС благодаря накопленному моменту инерции своего маховика 9 или иного принудительного воздействия параллельно спаренного такого же механизма. Затем происходит ускоренный подъем рычага 4 к исходному положению I, благодаря воздействию подшипника шейки кривошипа 7 на верхнюю ветвь 8 паза 5, с одновременным ускоренным уменьшением расстояния шейки 7 кривошипа до точки центра закрепления рычага 6. Далее цикл повторяется.
При своей работе рычаг 4, связанный с шатуном 2, совершает маятниковое движение вокруг центра 6.
При выполнении паза прямолинейной формы механизм работает аналогичным образом, но задержки движения поршня 3 и рычага 4 при достижении НМТ не происходит, так как подшипник шейки 7 кривошипа катится по прямой ровной поверхности паза 5. Выпуск отработанного пара происходит при обратном ходе поршня 3 с перемещением его от НМТ к ВМТ, и рычага 4 - из положения II в исходное положение I.