Кривошипный шатунно-ползунный механизм поршневой машины
CRANK SLIDER MECHANISM OF A PISTON MACHINE

Предложенное устройство относится к преобразующим механизмам объемных поршневых машин и может быть использовано в поршневых двигателях, компрессорах, насосах и пр.
Наиболее близким конструктивным аналогом является «Кривошипно-шатунный механизм» по авторскому свидетельству (см. а.с. СССР №242598, МПК F02f, опубл. 25.06.1969). Кривошипно-шатунный механизм для двухтактного двигателя внутреннего сгорания с радиальным расположением 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 является сложность конструкции и технологии сборки механизма, обусловленная большим количеством подвижных деталей.
Наиболее близким техническим решением по количеству общих и совпадающих действий к заявляемому устройству является устройство (см. патент RU 200 823 U1, F16H 21/16 «Кривошипно-шатунный механизм поршневой машины». Патентообладатель «Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ярославский государственный технический университет" ФГБОУВО "ЯГТУ", опубл. 12.11.2020).
В известном патенте на полезную модель предложен кривошипный шатунно-ползунный механизм поршневой машины, содержащий составной кривошип, состоящий из передней части, задней части и шатунной шейки с шатунным подшипником, установленными на коренных подшипниках, по меньшей мере, три поршня, установленные в радиальных цилиндрах корпуса с возможностью возвратно-поступательного движения, и по меньшей мере, три шатуна, кинематически связывающие поршни с кривошипом и имеющие верхнюю головку, кинематически связанную поршневым пальцем с соответствующим поршнем, а также имеющими нижнюю головку, имеющую ползун, выполненный в виде части кольцевого сектора, кинематически связанный с шатунной шейкой и с кольцеобразными элементами, выполненными с возможностью ограничения радиального смещения каждого ползуна относительно шатунной шейки кривошипа и охватывающими все ползуны.
Этот механизм отличается от аналога тем, что кривошип выполнен разъемным, в кольцевых выточках щек разъемного кривошипа установлены подшипники качения, внутренние обоймы которых целиком охватывают наружные поверхности всех головок шатунов.
Недостатком кинематической схемы-прототипа является заметное усложнение размерных цепей кинематически сопряженных деталей механизма, что требует значительного увеличения точности их изготовления.
Так внутренний и наружный диаметры выточек в щеках разъемного кривошипа должны обеспечить допуски на гидравлический зазор между шатунной шейкой и втулкой подшипника скольжения, допуски на зазор между поверхностью втулки и внутренней секторной поверхностью шатуна, зазор скольжения между наружной секторной поверхностью шатуна и внутренней обоймой подшипника качения, наружная обойма которого запрессована в выточку в щеках узла кривошипа.
В случае сохранения общепринятых в машиностроении классов допусков и посадок увеличивается вероятность подклинивания деталей в условиях их термического расширения. Кроме того, увеличение размеров щек кривошипа за счет необходимости охвата подшипников требует увеличения массы и габаритов всего механизма.
Технической задачей предполагаемого изобретения является упрощение конструкции поршневой машины с кривошипным шатунно-ползунным механизмом путем снижения требований к точности изготовления его деталей и расширения допусков в размерной цепи сопряженных деталей.
При этом достигаются следующие технические результаты:
- совокупность отличительных признаков позволяет расширить зазоры в размерной цепи внешняя обойма подшипника качения - ползун, что позволяет упростить сборку вследствие снижения требований к сопряжению указанных деталей;
- снизить механические потери на трение в механизме путем замены высокоскоростного трения ползунов по обойме шатунной шейки подшипника скольжения на трение качения в паре шатунная шейка внешняя обойма подшипника качения и низкоскоростное трение при возвратно-качательном тангенциальном движении в паре внешняя обойма подшипника качения ползуны;
- масса-габаритные показатели кольцеобразных элементов малы, так как они не несут воздействия от больших ударных нагрузочных газовых сил сгорания, которые воспринимает внешняя обойма подшипника качения, а воспринимают только силы от инерционных нагрузок возврата в ВМТ и обратно шатунно-поршневой группы на тактах газообмена (выпуска, впуска и сжатия);
- кольцеобразные элементы не требуют установки средств фиксации (предотвращения) радиального смещения в щеках кривошипа, а также не требуют из-за этого соответствующего увеличения размеров и увеличения массы кривошипов и противовесов, так как кольцеобразные элементы опираются (фиксируются) с противоположной от опоры на симметрично расположенных внешних цилиндрических поверхностях ползунов и зафиксированы от осевого смещения кольцевыми выступами и соответствующими пазами в имеющихся щеках кривошипа.
Указанная техническая задача решается тем, что кривошипный шатунно-ползунный механизм поршневой машины, содержащий составной кривошип, состоящий из двух частей, первой и второй, при этом с ними связана шатунная шейка, и шатунной шейки с шатунным подшипником, установленными на коренных подшипниках, поршень, с возможностью возвратно-поступательного движения, шатун, кинематически связывающий поршень с кривошипом и имеющий верхнюю головку, кинематически связанную поршневым пальцем с поршнем, а также нижнюю головку, имеющую ползун, выполненный в виде части кольцевого сектора, кинематически связанный с шатунной шейкой и с кольцеобразными элементами, выполненными с возможностью ограничения радиального смещения ползуна относительно шатунной шейки кривошипа и охватывающими ползун, отличающийся тем, что установленный на шатунной шейке подшипник выполнен в виде подшипника качения, поверхность наружной обоймы которого кинематически связана с внутренней цилиндрической поверхностью ползуна и выполнена с возможностью ее вращения на наружной обойме подшипника качения шатунной шейки, а на ползун установлены кольцеобразные элементы, сопряженные с внешней цилиндрической поверхностью ползуна.
Суть работы предлагаемого устройства, позволяющая достичь указанных технических результатов, заключается в его функционировании в нижеследующем виде.
Очевидно, что указанные элементы установлены в соответствующих цилиндрах и корпусе (см. фиг. 2).
Предлагаемая конструкция преобразовательного механизма позволяет добиться упрощения его сборки за счет ослабления требований к допускам в размерной цепи - внешней обоймы шатунного подшипника и внутренней поверхности ползуна, наружной поверхности ползуна и кольцеобразного элемента. При этом исключаются требования по допуску в сочленении каждого кольцеобразного элемента с расточкой в частях кривошипа.
Механические потери на трение в механизме снижаются за счет замены высокоскоростного трения ползунов по обойме шатунной шейки подшипника скольжения на трение качения в паре шатунная шейка и подшипник качения, а также уменьшается низкоскоростное трение при возвратно-качательном тангенциальном движении в паре внешняя обойма подшипника качения с ползунами.
Снижение масса-габаритных показателей достигается снижением массы щек кривошипов, противовесов и кольцеобразных элементов.
Кроме того, упрощение конструкции устройства достигается за счет того, что кольцеобразные элементы не требуют установки средств предотвращения радиального смещения в щеках кривошипа, а также не требуют средств предотвращения осевого смещения.
Предложение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан продольный разрез предлагаемого преобразовательного механизма по плоскости, проходящей через ось кривошипа.
На этом чертеже введены следующие обозначения:
1 - передняя часть кривошипа;
2 - задняя часть кривошипа;
3 - шатунная шейка;
4 - шатунный подшипник;
5 - коренной подшипник;
6 - поршень;
7 - шатун;
8 - верхняя головка шатуна;
9 - поршневой палец;
10 - нижняя головка шатуна;
11 - ползун;
12 - кольцеобразный элемент.
На фиг. 2 показан поперечный разрез по плоскости осей трех цилиндров, совпадающей с плоскостью разъема половин картера.
На этом чертеже введены следующие обозначения:
3 - шатунная шейка;
4 - шатунный подшипник;
6 - поршень;
7 - шатун;
8 - верхняя головка шатуна;
9 - поршневой палец;
10 - нижняя головка шатуна;
11 - ползун;
13 - цилиндр;
14 - разъемный корпус;
15 - соединительный элемент.
Кривошипный шатунно-ползунный механизм поршневой машины (см. фиг. 1) содержит составной кривошип, состоящий из двух частей, передней первой 1 и задней второй 2, при этом с ними связана шатунная шейка 3 с шатунным подшипником 4 качения, установленными на коренных подшипниках 5, поршень 6, установленный с возможностью возвратно-поступательного движения в цилиндре 13, шатун 7, кинематически связывающий поршень 6 с кривошипом и имеющий верхнюю головку 8, кинематически связанную поршневым пальцем 9 с поршнем 6, а также нижнюю головку 10, имеющую ползун 11, выполненный в виде части кольцевого сектора, кинематически связанный с шатунной шейкой и с кольцеобразными элементами 12, выполненными с возможностью ограничения радиального смещения ползуна 11 относительно шатунной шейки 3 кривошипа и охватывающими ползун 11, отличающийся тем, что установленный на шатунной шейке 3 шатунный подшипник 4 выполнен в виде подшипника качения, поверхность наружной обоймы которого кинематически связана с внутренней цилиндрической поверхностью ползуна 11 и выполнена с возможностью ее вращения на наружной обойме шатунного подшипника 4 шатунной шейки 3, а на ползун 11 установлены кольцеобразные элементы 12, сопряженные с внешней цилиндрической поверхностью ползуна 11.
Предлагаемый преобразовательный механизм работает следующим образом.
Разъемный кривошип состоит из передней первой 1 и задней второй 2 частей, соединенных при помощи шатунной шейки 3. На ней установлен подшипник качения 4, сопряженный внешней обоймой с внутренней поверхностью ползуна 11 секторной нижней головки 10 шатуна 7. Наружная поверхность ползуна 11 сопрягается с внутренней поверхностью кольцеобразных элементов 12 плавающего типа.
При установке разработанного устройства в звездообразном трехцилиндровом двигателе (Фиг. 2) верхние головки 8 шатунов 7 поршневых пальцев 9 сопрягаются с поршнями 6 и устанавливаются в цилиндрах 13, которые в свою очередь охватываются разъемным корпусом 14 и стягиваются стяжными элементами 15.
При таком конструктивном решении кривошипных узлов сохраняются лишь необходимые допуски между шатунной шейкой 3, подшипником качения 4, внутренней поверхностью ползуна 11, его наружной поверхностью и внутренней поверхностью кольцеобразных элементов 12. При этом кольцеобразные элементы 12 не контактируют с частями кривошипов 1 и 2, оставаясь разделенными с ними гарантированными зазорами, что упрощает сборку механизма и снижает требования к допускам общей размерной цепи. Кроме того, отсутствие необходимости установки кольцеобразных элементов в виде подшипников качения в расточках щек кривошипов, реализованное в схеме механизма -прототипа, улучшает масса-габаритные показатели предлагаемой конструкции за счет уменьшения габаритов и, соответственно, массы кривошипа, его противовеса и кольцеобразных элементов.
Такие решения преобразовательного механизма позволяет повысить его работоспособность, технологичность и простоту изготовления за счет применения цельных плавающих колец, а также улучшения масса-габаритных показателей механизма.
Описанная совокупность всех необходимых и достаточных существенных признаков позволяет решить поставленную техническую задачу и достичь описанных выше технических результатов. Следовательно, предложение соответствует критериям охраноспособности «техническое решение задачи». Отсутствие в известных заявителю источниках информации всех описанных существенных признаков, влияющих на достижение описанных технических результатов, позволяет утверждать, что предложение соответствует критерию охраноспособности «новизна». Заявителю не известны источники информации, в которых описаны указанные действия, позволяющие достичь указанных технических результатов, по этой причине предложение соответствует критерию охраноспособности «изобретательский уровень».