Шарнирный узел поршневой машины
HINGED ASSEMBLY OF PISTON MACHINE

Изобретение относится к области машиностроения, 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 А, 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 А, 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 шарнирный узел шатуна поршневой машины, содержащий сферическую вставку, установленную в ответном сферическом отверстии поршневой и/или кривошипной неразъемной головки шатуна с возможностью поворота относительно головки шатуна только в одной плоскости, перпендикулярной плоскости качания шатуна, за счет фиксатора, ограничивающего качание вставки в остальных направлениях, при этом в сферической вставке выполнено сквозное цилиндрическое отверстие, в котором установлен цилиндрический поршневой или кривошипный палец (см. патент RU2581751 С1, опубл. 20.04.2016).
Недостатками известного узла являются недостаточная надежность фиксации поворота сферической вставки в нетребуемых направлениях и недостаточная технологичность выполнения фиксатора.
Техническим результатом является повышение надежности шарнирного узла за счет надежного ограничения поворота сферического шарнира в направлениях лишних степеней свободы, а также повышение технологичности и ремонтопригодности устройства.
Поставленная задача достигается тем, что в шарнирном узле шатуна поршневой машины, содержащем сферическую вставку, установленную в ответном сферическом отверстии поршневой и/или кривошипной неразъемной головки шатуна с возможностью поворота относительно головки шатуна только в одной плоскости, перпендикулярной плоскости качания шатуна, за счет фиксатора, ограничивающего качание вставки в остальных направлениях, при этом в сферической вставке выполнено сквозное цилиндрическое отверстие, в котором установлен цилиндрический поршневой или кривошипный палец, согласно изобретению, фиксатор выполнен в виде, по меньшей мере одного штифта, установленного в отверстии головки шатуна и выступающего внутрь сферического отверстия головки с возможностью контакта его выступающей цилиндрической поверхности с боковыми поверхностями фиксирующего паза, выполненного на наружной поверхности сферической вставки и расположенного в поперечной плоскости цилиндрического отверстия вставки.
Поставленная задача достигается также тем, что фиксатор выполнен в виде пары штифтов, установленных в соосных отверстиях головки шатуна, расположенных на противоположных сторонах вставки.
Поставленная задача достигается также тем, что фиксирующий паз выполнен несквозным, открытым в направлении, в котором осуществляют введение вставки в сферическое отверстие головки шатуна.
Изобретение поясняется при помощи чертежей.
На фиг. 1 показан продольный разрез поршневого узла поршневой машины;
На фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1;
На фиг. 3 показана схема отклонения осей в двигателе;
На фиг. 4 показана схема сборки шарнирного узла.
Шарнирный узел шатуна поршневой машины, содержит сферическую вставку 1, установленную в ответном сферическом отверстии 2 поршневой и/или кривошипной неразъемной головки 3 шатуна 4 с возможностью поворота относительно головки 3 шатуна только в одной плоскости, перпендикулярной плоскости качания шатуна 4 (см. фиг. 2), за счет фиксатора, ограничивающего качание вставки 1 в остальных направлениях. При этом в сферической вставке 1 выполнено сквозное цилиндрическое отверстие 5, в котором установлен цилиндрический поршневой или кривошипный палец 6.
Фиксатор выполнен в виде, по меньшей мере, одного штифта 7, установленного в отверстии 8 головки 3 шатуна 4 и выступающего внутрь сферического отверстия 2 головки 3 с возможностью контакта его выступающей цилиндрической поверхности с боковыми поверхностями 9 фиксирующего паза 10, выполненного на наружной поверхности сферической вставки 1 и расположенного в поперечной плоскости цилиндрического отверстия 5 вставки 1. При использовании в устройстве одного штифта 7 поворот вставки 1 ограничен выступающей внутрь отверстия 2 цилиндрической поверхностью штифта 7 вокруг геометрической продольной оси 11 поршня машины. Поворот вставки 1 в плоскости качания шатуна 4 может быть ограничен взаимодействием открытой торцевой плоскости 12 штифта 7 с плоским дном паза 10.
Фиксатор может быть выполнен в виде пары штифтов 7, установленных в соосных отверстиях 8 головки 3 шатуна 4, расположенных на противоположных сторонах вставки 1. В этом варианте пазы 10 выполнены несквозными с глухой стенкой 13. При этом глухие стенки 13 ограничивают поворот вставки 1 в плоскости качания шатуна 4. Несквозной паз 10 выполнен открытым в направлении, в котором осуществляют введение вставки 1 в сферическое отверстие 2 головки 3.
Для введения вставки 1 в отверстие 2, на поверхности головки 3 со стороны введения вставки выполняют два противоположных несквозных паза 14, таких как в наружной обойме стандартных шарнирных головок.
Описываемый узел в составе поршневой машины на примере поршневого узла работает следующим образом. Возвратно-поступательное перемещение поршня преобразуется посредством шатуна 4 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 (совпадающей с осью 11), в котором перемещается поршень, и геометрической оси 15 пальца кривошипа, на котором установлена кривошипная головка шатуна 4. Отклонение от указанного условия на угол ср (см. фиг. 2) 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 вставки может использоваться часть выпускаемого серийно шарнирного подшипника ШС, ШМ или ШСП. Наибольшая степень форсирования может быть достигнута именно в двухтактных поршневых двигателях, в которых нагрузки на шарниры являются однонаправленными.
Фиксация поворота сферического шарнира в направлении лишних степеней свободы требуется для сохранения максимальной площади контакта сферических взаимодействующих поверхностей вставки 1 и отверстия 2, а также для сохранения взаимной требуемой ориентации различных отверстий, каналов и т.д. на указанных взаимодействующих элементах. Кроме того, фиксация вставки 1 требуется при использовании в двигателе гильзы газораспределения, взаимодействие которой с поршнем стремится изменить его угловое положение.
При сборке узла вставку 1 поворачивают таким образом, что поперечная плоскость ее отверстия 7 под палец перпендикулярна отверстию 2 в головке 3 (см. фиг. 4), и вводят в таком положении вставку 1 в сферическое отверстие 2 по пазам 14 головки 3. При этом выступающие цилиндрические поверхности штифтов 7, заранее установленные в головку 3, входят в пазы 10 при введении вставки 1. В крайней точке перемещения вставку 1 поворачивают в перпендикулярную плоскость. В этом положении штифты 7 ограничивают поворот вставки 1 вокруг оси поршня и поворот вокруг оси отверстия 5, оставляя возможность вставке 1 поворачиваться в плоскости, перпендикулярной плоскости качания шатуна 4. То есть сборка узла осуществляется простыми перемещениями деталей, и детали - простые в изготовлении и используются готовые элементы серийных узлов.
Как показано на фиг. 2 чертежей, отклонение геометрических осей деталей машины при использовании заявленного устройства не приводит к нарушению работы механизма преобразования машины.
Таким образом, использование заявленного изобретения позволяет повысить надежность шарнирного узла за счет гарантированного ограничения поворота сферического шарнира в направлениях лишних степеней свободы, а также повысить технологичность и ремонтопригодность устройства. Использование шарнирного узла позволяет повысить надежность работы поршневых машин при повышенных нагрузках и/или сниженных требованиях к точности изготовления деталей машины.