КРИВОШИПНО-ПОЛЗУННЫЙ МЕХАНИЗМ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
SLIDER-CRANK MECHANISM OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению, в частности к производству поршневых и комбинированных двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Из-за прогибов коленчатого вала кривошипно-ползунного механизма, неточностей в его изготовлении или монтаже имеются отклонения от одинаковости взаимного углового положения шатунных шеек, коленчатого вала, поршневого пальца, оси поршня и оси цилиндра (см. К.Энглиш. Поршневые кольца. Т1. Теория, изготовление, конструкция и расчет. - М., 1962, с.114, 115).
При отклонении в продольной плоскости механизма от одинаковости взаимного углового положения оси поршня от оси цилиндра со стороны цилиндра на поршень действует сила, которая относительно оси шатунной шейки вала коленчатого создает большой изгибающий момент, который деформирует механизм в продольной плоскости и стремится повернуть ось поршня к оси цилиндра.
Недостаток кривошипно-ползунного механизма состоит в использовании деформации его деталей для компенсации отклонений от одинаковости взаимного углового положения оси поршня относительно оси цилиндра в продольной плоскости и создании большого изгибающего момента, что увеличивает удельные давления в его сопряжениях, скорости их изнашивания и снижает его надежность.
Известен поршень, преимущественно для поршневых машин с кривошипно-шатунным механизмом, состоящий из корпуса с выполненными в нем отверстиями для установки поршневого пальца и демпфирующего элемента, который с целью снижения динамических нагрузок выполнен в виде концентрически расположенных распорного и пружинного колец в отверстиях поршня, причем пружинное кольцо выполнено разъемным (см. АС СССР №678228, F16J 1/10. Опубл. 05.08.79. Бюл. №29).
Недостаток конструкции состоит в использовании демпфирующих элементов для компенсации отклонения от одинаковости взаимного углового положения оси поршня относительно оси цилиндра в продольной плоскости, недостаточном снижении изгибающего момента, удельных давлений в сопряжениях, скоростей их изнашивания и незначительном повышении ресурса механизма.
Известен кривошипно-ползунный механизм двигателя внутреннего сгорания, содержащий поршень с отверстием, в котором установлен поршневой палец и кольцевые демпфирующие элементы, которые имеют овальную форму и расположены попарно между поршневым пальцем и шатуном с одинаковым угловым смещением относительно друг друга (см. АС СССР №870806, F16J 1/16. Опубл. 07.10.81. Бюл. №37).
Выполнение демпфирующих колец овальными обеспечивает «плавающее» соединение шатуна с поршнем и позволяет поршню самоустанавливаться относительно зеркала цилиндра, что приводит к уменьшению износа и повышению надежности их пары.
Недостаток кривошипно-ползунного механизма состоит в использовании демпфирующих элементов для уменьшения отклонения от одинаковости взаимного углового положения оси поршня относительно оси цилиндра в продольной плоскости, недостаточном снижении изгибающего момента, удельных давлений в сопряжениях, скоростей их изнашивания и малом повышении ресурса механизма.
Техническая задача создания кривошипно-ползунного механизма, обеспечивающего уменьшение отклонения от одинаковости взаимного углового положения оси поршня относительно оси цилиндра, снижение изгибающего момента, удельных давлений в его сопряжениях, скоростей их изнашивания и увеличения его надежности решается установкой между поршневым пальцем и поршневой головкой шатуна компенсатора угловых отклонений оси поршня относительно оси цилиндра в форме сферического шарнира.
Кривошипно-ползунный механизм двигателя содержит цилиндр, поршень, поршневой палец, шатун и втулку поршневой головки шатуна. Поршневая головка шатуна имеет сферическое отверстие под втулку. Втулка выполнена из упругого антифрикционного материала и содержит внутреннее цилиндрическое отверстие под поршневой палец и наружную сферическую поверхность под поршневую головку шатуна. Втулка вдоль продольной оси имеет разъем. Угол наклона разъема относительно касательной к внутренней цилиндрической поверхности отверстия втулки может быть в интервале от 0 до 90°.
Втулку скручивают, что уменьшает ее до нужного размера, и устанавливают в смазанное сферическое отверстие поршневой головки шатуна, где она распрямляется сама частично или полностью и (или) ее распрямляют с помощью приспособления в форме конуса, а затем дорном калибруют ее внутреннее отверстие под размер поршневого пальца. Поршневой палец при сборке поршня с шатуном через отверстие в бобышке поршня устанавливают во внутреннее цилиндрическое отверстие втулки. Внутренняя сферическая поверхность поршневой головки шатуна и наружная сферическая поверхность втулки образуют сферический шарнир. Для уменьшения момента сил трения сферические поверхности шарнира разделены смазочным материалом.
Работа кривошипно-ползунного механизма состоит в том, что увеличение отклонения от одинаковости взаимного углового положения оси поршня относительно оси цилиндра в продольной плоскости механизма вызывает появление силы давления со стороны цилиндра на поршень, которая относительно центра сферического шарнира создает момент силы. Однако момент этой силы увеличивается только до величины момента сил трения в сферическом шарнире. Как только момент силы преодолеет момент сил трения в сферическом шарнире, он повернет ось поршня в сторону оси цилиндра, что уменьшит угол отклонения его оси от одинаковости взаимного углового положения с осью цилиндра. Поворот оси поршня в сторону оси цилиндра снижает изгибающий момент силы, действующей со стороны цилиндра на поршень до момента меньше момента сил трения в смазочном слое между его поверхностями вплоть до его полного исчезновения.
Уменьшение момента силы давления со стороны цилиндра на поршень снижает до минимального значения удельные давления в сопряжениях, скорости их изнашивания и увеличивает его надежность.
Преимущество кривошипно-ползунного механизма состоит в размещении между поршневым пальцем и поршневой головкой шатуна компенсатора угловых отклонений оси поршня относительно оси цилиндра в форме сферического шарнира. Сферические поверхности шарнира для снижения трения разделены смазочным материалом. Поэтому момент силы, действующей со стороны цилиндра на поршень относительно центра сферического шарнира, может быть снижен от величины момента сил трения в смазочном материале между его сферическими поверхностями до нуля.
Конструкция предлагаемого кривошипно-ползунного механизма двигателя внутреннего сгорания представлена фиг.1, фиг.2 и фиг.3.
На фиг.1 приведен кривошипно-ползунный механизм ДВС при отклонении оси поршня в продольной плоскости от оси цилиндра на начальный угол, обеспечивающий контакт поршня с цилиндром.
На фиг.2 приведен кривошипно-ползунный механизм ДВС после поворота оси поршня к оси цилиндра.
На фиг.3 приведена конструкция втулки с углом наклона ее продольного разъема.
1
2
Где: 1 - цилиндр; 2 - поршень; 3 - поршневая головка шатуна, 4 - втулка; 5 - поршневой палец; 6 - сферическая поверхность шарнира; 7 - продольный разъем втулки; Рц - сила давления со стороны цилиндра на поршень; Оц - ось цилиндра; Ош - ось шатуна; Оп - ось поршня; Цш - центр сферического шарнира; α - начальный угол отклонения оси шатуна и оси поршня от оси цилиндра в продольной плоскости механизма. α - полный угол отклонения оси шатуна от оси цилиндра; δ - угол поворота оси поршня к оси цилиндра; γ - угол наклона продольного разъема втулки.
1
1
2
2
Работает кривошипно-ползунный механизм следующим образом. Увеличение угла отклонения от одинаковости взаимного углового положения оси шатуна Ош и оси поршня Oп относительно оси цилиндра Оц в продольной плоскости механизма двигателя на начальный угол α обеспечивает выбор зазора между поршнем 2 и цилиндром 1 и появление силы Рц, действующей со стороны цилиндра 1 на поршень 2 (фиг.1). Дальнейшее увеличение угла α отклонения оси шатуна Ош от оси цилиндра Оц до величины угла α сопровождается увеличением силы Рц, действующей со стороны цилиндра 1 на поршень 2, и созданием относительно центра сферического шарнира Цш момента этой силы. Моменту силы Рц противостоит момент сил трения в слое смазочного материала, находящемся между сферическими поверхностями 6 втулки 4 и поршневой головки 3 шатуна. Как только момент силы Рц относительно центра сферического шарнира Цш превысит момент сил трения в сферическом шарнире, то он преодолеет его и повернет ось поршня Оп в сторону оси цилиндра Оц на угол δ, что уменьшает угол отклонения оси поршня от одинаковости взаимного углового положения оси поршня Оп относительно оси цилиндра Оц (фиг.2). Поворот оси поршня в сторону оси цилиндра снизит момент силы Рц, действующей со стороны цилиндра 1 на поршень 2, от момента сил трения до нуля. Сила Рц достигнет нулевого значения при условии, что угол δ поворота оси поршня 2 в сторону оси цилиндра будет равен углу α наклона оси Ош шатуна. В этом случае ось поршня 2 будет параллельна оси Оц цилиндра 1 (фиг.2). Уменьшение момента силы Рц, действующей со стороны цилиндра 1 на поршень 2, от момента сил трения в сферическом шарнире до нуля уменьшает удельные давления в сопряжениях кривошипно-ползунного механизма, скорости их изнашивания и повышает его надежность.
Преимущество кривошипно-ползунного механизма состоит в установке между его поршневым пальцем и поршневой головкой шатуна вместо демпферов компенсатора угловых отклонений оси поршня от одинаковости взаимного углового положения с осью цилиндра в виде сферического шарнира, что снижает момент силы Рц, действующей со стороны цилиндра на поршень, от момента сил трения в сферическом шарнире до нуля, уменьшает удельные давления в сопряжениях, скорости их изнашивания и увеличивает его надежность. Компенсатор срабатывает сразу при появлении углового отклонения оси поршня от оси цилиндра, поэтому эксплуатация двигателя будет проходить при минимальных отклонениях, что снизит работу сил трения, повысит эффективную мощность двигателя, снизит удельный расход топлива и затраты на ремонт.