ПОРШНЕВАЯ МАШИНА
PISTON MACHINE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности, к поршневым машинам.
Известна поршневая машина, содержащая корпус, установленный в нем коленчатый вал, цилиндр, в котором размещен поршень, выполненный в виде соединенных между собой крейцкопфа, юбки и головки, при этом крейцкопф связан с кривошипом при помощи шатуна (см. патент РФ 2103533, опубл. 27.01.1998).
Недостатками известной машины являются малый ресурс цилиндра из-за непосредственного взаимодействия контактных поверхностей крейцкопфа (роликов) с поверхностью цилиндра и возможности их проскальзывания, малый ресурс роликов из-за их нагрева от поверхности цилиндра, а также отсутствие возможности самоустановки головки поршня с кольцами относительно поверхности цилиндра при неточной регулировке роликов или при деформациях механизма или цилиндра при работе поршневой машины.
Техническим результатом заявленного изобретения являются повышение надежности и ресурса цилиндропоршневой группы поршневой машины, повышение литровой мощности (при использовании в качестве двигателя) за счет уменьшения массы возвратно-поступательно движущихся элементов машины и повышение экономичности за счет замены граничного трения скольжения в плохо смазываемой паре цилиндр - поршень на трение качения с предотвращением проскальзывания элементов качения.
Поставленная задача достигается тем, что в поршневой машине, содержащей корпус, установленный в нем коленчатый вал, по меньшей мере, с одним кривошипом, закрепленный на корпусе, по меньшей мере, один цилиндр, в котором размещен поршень, выполненный в виде соединенных между собой, по меньшей мере, крейцкопфа и головки, при этом крейцкопф связан с кривошипом при помощи шатуна, согласно изобретению крейцкопф и корпус снабжены направляющими с контактными поверхностями, между которыми установлены катки с возможностью передачи на корпус реактивной силы, действующей со стороны крейцкопфа, при этом направляющие крейцкопфа расположены на двух противоположных его сторонах и, по меньшей мере, с одной его стороны расположены два катка, причем направляющие снабжены зубчатыми рейками, а катки - синхронизирующими шестернями, зацепленными с зубчатыми рейками направляющих как корпуса, так и крейцкопфа.
Поставленная задача достигается также тем, что головка поршня может быть соединена с крейцкопфом шарнирно с возможностью перемещения относительно крейцкопфа, по меньшей мере, в плоскости, перпендикулярной продольной оси цилиндра, во всех направлениях.
Поставленная задача достигается также тем, что она может содержать механизм поджатия направляющих для создания предварительного натяга в месте контакта контактных поверхностей с катками.
Поставленная задача достигается также тем, что она может содержать механизм регулирования пространственного положения направляющих, установленных, по меньшей мере, на корпусе.
Поставленная задача достигается также тем, что крейцкопф может быть выполнен в виде коробчатого ребра жесткости, расположенного в плоскости действия реактивной силы.
Поставленная задача достигается также тем, что ребро жесткости крейцкопфа может быть расположено с возможностью прохода между щеками кривошипа при движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ).
Поставленная задача достигается также тем, что при использовании ее в качестве двухтактного двигателя направляющие корпуса могут быть установлены в продувочных каналах, соединяющих полость под поршнем с полостью цилиндра.
Изобретение поясняется при помощи чертежей.
На фиг.1 показан поперечный разрез поршневой машины, выполненной в виде двухтактного двигателя внутреннего сгорания при положении поршня в НМТ;
На фиг.2 - то же, при положении его поршня в ВМТ;
На фиг.3 показана поршневая группа в сборе;
На фиг.4 - то же, с разнесенными элементами;
На фиг.5 показан поршневой палец.
Описываемая машина содержит корпус 1, установленный в нем коленчатый вал 2 с кривошипом 3 и щеками 4. На корпусе закреплен цилиндр 5, в полости 6 которого размещен поршень 7. Поршень 7 выполнен в виде соединенных между собой крейцкопфа 8, юбки 9 (при необходимости) и головки 10. Крейцкопф 8 связан с кривошипом 3 при помощи шатуна 11, имеющего верхнюю 12 и нижнюю 13 головки. Крейцкопф 8 снабжен направляющими 14 с контактными поверхностями, расположенными на двух противоположных его сторонах, а корпус снабжен направляющими 15 с контактными поверхностями. Между контактными поверхностями направляющих 14 и 15 установлены катки 16, передающие боковую силу реактивного момента с крейцкопфа 8 на корпус 1. Каждый каток 16 имеет зубчатые шестерни 17, зацепленные с зубчатыми рейками 18 направляющих 14 и 15, образуя синхронизирующую зубчато-реечную передачу. Головка 10 поршня 7 может быть соединена с крейцкопфом 8 шарнирно, например, при помощи байонетного соединения, выполненного в виде расположенного на крейцкопфе 8 кольцевого выступа 19 с вырезом и взаимодействующего с ним ответного кольцевого выступа 20 головки 10. Выполнение такого шарнира с зазором в радиальном направлении позволяет головке 10 перемещаться относительно крейцкопфа 8 в любом радиальном направлении, то есть в плоскости, перпендикулярной продольной оси цилиндра 5.
Корпусные направляющие 15 могут иметь механизм регулирования их пространственного положения. Механизм регулирования содержит резьбовые элементы (болты) 21, контактирующие своими торцами с нерабочей поверхностью направляющей 15 и поджимающие относительно корпуса 1 их контактные поверхности к каткам 16 и контактным поверхностям направляющих 14 крейцкопфа 8. Для предотвращения выпадения направляющих 15 в полость цилиндра 1 при сборке машины, а также для создания надежного контакта с опорными торцевыми поверхностями болтов 21 при ее работе осуществляют натяг направляющих 15 в сторону корпуса 1 к болтам 21 при помощи резьбового соединения 22. Для снятия напряжений в резьбовых соединениях и в месте контакта болтов 21 с направляющими 15, между торцами болтов 21 и направляющими устанавливают подпятники 23 со сферическими поверхностями.
Крейцкопф 8 может быть выполнен в виде коробчатого ребра жесткости, расположенного в плоскости действия реактивной силы. При этом верхняя головка 12 и стержень шатуна 11 расположены в полости короба крейцкопфа 8, а сам короб крейцкопфа 8 расположен с возможностью прохода между щеками 4 кривошипа при движении поршня 7 к нижней мертвой точке.
Если машина используется в качестве двухтактного двигателя, снабженного перепускными каналами 24, которые связывают подпоршневую картерную полость 25 с полостью 6 цилиндра, то направляющие 15 корпуса могут быть установлены в перепускных каналах 24, по которым через продувочные окна 26 осуществляется продувка и наполнение полости 6 свежим зарядом.
Описываемая поршневая машина работает следующим образом. Возвратно-поступательные движения поршня 7 преобразуются при помощи шатуна 11 и кривошипа 3 во вращение коленчатого вала 2 либо, наоборот, вращение вала 2 преобразуется в движение поршня 7. В любом механизме преобразования движения при его работе возникает реактивная сила, воспринимаемая корпусом. В поршневой машине реактивная сила, как правило, воспринимается рабочей поверхностью цилиндра либо, при наличии крейцкопфа, направляющей поверхностью крейцкопфа. Вариант выполнения машины с крейцкопфом предпочтителен с точки зрения освобождения цилиндра от функций передачи силового воздействия механизма и, в случае использования машины в качестве двигателя внутреннего сгорания, предотвращения передачи тепла от нагретых (и поэтому не удерживающих смазку) поверхностей цилиндра к направляющим поверхностям, воспринимающим реактивную силу. Однако недостатком крейцкопфных машин является значительное увеличение габаритов и, как следствие, рост возвратно-поступательно движущихся масс, приводящий к потере литровой мощности из-за необходимости уменьшения частоты вращения вала двигателя внутреннего сгорания.
Описываемое изобретение позволяет скомпоновать крейцкопфную машину (со всеми ее преимуществами) в габаритах компактной тронковой машины. Задача достигается за счет установки не связанных с цилиндром 5 корпусных направляющих 15 крейцкопфа 8 в пределах высоты цилиндра 5 вдоль его продольной оси. Передача реактивной силы крейцкопфом 8 на корпус 1 осуществляется посредством катков 16, установленных между направляющими 14 и 15, соответственно, крейцкопфа 8 и корпуса 1. Такое техническое решение позволяет значительно уменьшить длину направляющих 14 и 15, так как рабочее перемещение катка 16 всегда в два раза меньше хода поршня 7. Это позволяет вписать крейцкопфный узел в габариты (по высоте) цилиндра 5, не допуская увеличения радиальных габаритов двигателя (вдоль оси цилиндра). Кроме того, на порядок снижаются потери на трение в цилиндропоршневой группе по сравнению с тронковыми машинами. Соответственно, уменьшается и нагрев взаимодействующих поверхностей в этой паре. Значит, цилиндр 5 в описываемом двигателе освобожден от воздействия на него местных как механических, так и термических перегрузок, которые в известных машинах неравномерно деформируют внутреннюю поверхность цилиндра по его окружности, что значительно ухудшает выполнение им функций уплотнения рабочей полости.
Синхронизирующая зубчато-реечная передача, состоящая из реек 18 и шестерен 17, предотвращает проскальзывание катков 16 относительно контактных поверхностей направляющих 14 и 15. Как известно, именно явление проскальзывания элементов качения в подшипниках ограничивает их параметры по нагрузке, скорости и ресурсу.
Наличие крейцкопфного узла требует включения в конструкцию машины регулирующего узла. В известных двигателях имеется возможность как изменения пространственного положения направляющей крейцкопфа, так и изменения положения крейцкопфа относительно направляющей, например, при помощи набора прокладок. В описываемой машине кроме механизма регулирования, позволяющего за счет поджатия, например, при помощи болтов 21, направляющих 15 корпуса 1 через катки 16 к направляющим 14 крейцкопфа 8, дополнительно предусмотрена возможность самоустановки уплотняющей части 10 (головки) поршня 7 относительно внутренней поверхности цилиндра 5. Радиальный зазор в байонетном соединении головки 10 с крейцкопфом 8 позволяет головке 10 с установленными в ней уплотнительными кольцами 26 занять оптимальное положение в цилиндре 5 независимо от положения крейцкопфа 8, зависящего от произведенной регулировки положения направляющих 15. Это необходимо в большей степени при использовании машины в качестве двигателя внутреннего сгорания для компенсации механических и термических нагрузок, возникающих при работе, например, форсированного двигателя. Кроме того, именно в двухтактном двигателе это позволяет обеспечить равномерный зазор между головкой и цилиндром, что улучшает равномерность нагрева поверхности головки, особенно при щелевом газораспределении.
Использование в качестве опор узких направляющих 14 и 15 позволяет выполнить силовую часть крейцкопфа 8 в виде коробчатого ребра, на противоположных сторонах которого закреплены направляющие 14. Внутри короба крейцкопфа 8 размещены верхняя головка 12 и часть стержня шатуна 11. Верхняя головка 12 установлена на поршневом пальце 27 посредством подшипника 28 качения, а палец 27 вставлен в отверстие крейцкопфа 8. Такое выполнение узла обеспечивает проход коробчатого ребра крейцкопфа 8 между щеками 4 вала 2 при подходе поршня 7 к НМТ, что позволяет дополнительно уменьшить габариты машины вдоль оси цилиндра 5.
При использовании описываемой машины в качестве двухтактного двигателя усилия на отрыв поршня 7 от шатуна 11 при работе двигателя практически не возникают (в отличие от четырехтактного двигателя). Тогда толщина стенок короба крейцкопфа 8, которые удерживают поршневой палец 27 и воспринимают отрывные нагрузки, направленные вдоль оси цилиндра, может быть минимальной. Так как усилие, передаваемое от крейцкопфа 8 пальцу 27 в момент сгорания, относительно велико, то пальцу 27 необходимо придать большую поверхность со стороны действия газовой нагрузки. То есть палец 27 может быть выполнен ступенчатым с сегментными вырезами со стороны его торцов, что позволяет еще больше приблизить поршень 7 к валу 2 за счет возможности прохода части пальца 27 вместе с коробчатым ребром крейцкопфа 8 между щеками 4. Такое решение приводит также к уменьшению габаритов машины вдоль оси цилиндра 5.
Установка направляющих 15 в продувочных каналах 24 двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой позволяет использовать уже имеющуюся в двигателе полость (канал 24), не затеняя его катками 16 при продувке, так как в положении поршня 7 в НМТ (во время продувки) катки 16 находятся в своем крайнем нижнем положении. Юбка 9 поршня 7 в двухтактном варианте машины может быть использована в качестве запорного органа выпускных окон 29 при положении поршня 7 в ВМТ, не допускающего прямого контакта свежего заряда в картерной полости 25 с продуктами сгорания. При этом, в отличие от известных поршневых машин, юбка 9 в заявленной машине не воспринимает какие-либо существенные нагрузки, поэтому может быть выполнена тонкостенной, т.е. легкой.
Таким образом, заявленная поршневая машина проявляет максимальный набор наилучших качеств именно при использовании ее в качестве двухтактного двигателя внутреннего сгорания. Использование описываемого двигателя позволяет разгрузить цилиндр от действия на него реактивной силы и уменьшить его нагрев, повысив за счет этого герметичность рабочей полости и, в целом, надежность работы всей цилиндропоршневой группы. Компактность узла, передающего действие реактивной силы на корпус, позволяет значительно уменьшить радиальные габариты двигателя даже по сравнению с компактными тронковыми двигателями, что приводит к снижению массы возвратно-поступательно перемещающихся деталей, а это, в свою очередь, расширяет диапазон допустимой частоты вращения вала, ограниченной допустимой нагрузкой на подшипник нижней головки шатуна от действия на него инерционной силы в НМТ. То есть увеличение как нагрузочной способности цилиндропоршневой группы, так и допустимой частоты вращения вала позволяет значительно увеличить литровую мощность двигателя именно с двухтактным рабочим процессом, а решение проблем экономичности двухтактного процесса позволяет эксплуатировать двигатель с рекордно высокими значениями литровой мощности при приемлемом ресурсе.