КРИВОШИПНЫЙ МЕХАНИЗМ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1995 года по МПК F16J1/10 F02B59/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к поршневым двигателям.

Известен кривошипный механизм поршневого двигателя [1], содержащий поршень с поршневым пальцем и шатун, верхняя головка которого шарнирно соединена с поршневым пальцем, а нижняя - с шейкой кривошипа коленчатого вала.

Однако, возникающие при качаниях шатуна силы передаются в таком механизме через палец на поршень в виде дополнительных боковых усилий и перекашивающих моментов, ухудшающих условия трения в паре цилиндр-поршень и без того тяжелые из-за воздействия повышенных температур и ухудшенной смазки. Вследствие этого снижается КПД механизма и появляется склонность к задирам и заклиниванию. Кроме того, такой механизм нельзя использовать в двигателе двойного действия и в конструкциях, предусматривающих использование подпоршневого объема цилиндров для иных газодинамических функций.

Известен крейцкопфный кривошипный механизм [2], содержащий шток, жестко связанный с поршнем и с ползуном, имеющим возможность перемещения по направляющим корпуса. Ползун имеет цапфовое соединение с верхней головкой шатуна, нижняя головка которого соединена с шейкой кривошипа коленчатого вала. В данной конструкции боковые усилия от шатуна воспринимаются не поршнем, а ползуном, имеющим хорошие условия трения. В результате КПД и надежность механизма возрастают. Подпоршневый объем здесь легко поддается герметизации и его можно использовать для выполнения различных газодинамических функций.

Однако габариты и вес крейцкопфного механизма значительны из-за необходимости размещения дополнительных штока, ползуна с цапфовым соединением и направляющих. Из-за этого недостатка такой механизм применяется лишь в очень мощных стационарных и судовых двигателях.

Наиболее близким к изобретению является кривошипный механизм поршневого двигателя [3], содержащий по крайней мере один поршень, жестко связанный со штоком, и расположенную в корпусе с возможностью перемещения вдоль стенок корпуса по его направляющим раму, жестко связанную со штоком, и кривошип с эксцентриковой шейкой. Шейка имеет возможность вертикальных перемещений совместно с рамой и возможность горизонтальных перемещений по внутреннему периметру рамы.

Однако поверхность трения в паре шейка - рама вырождена в короткий отрезок прямой линии (линия касания), на котором вертикальные силы двигателя концентрируются до очень высоких напряжений. Это ухудшает условия трения и приводит к очень быстрому износу поверхностей трения.

Целью изобретения является повышение рабочего ресурса путем улучшения условий трения.

Это достигается тем, что кривошипный механизм поршневого двигателя, содержащий по крайней мере один поршень, жестко связанный со штоком, и расположенную в корпусе с возможностью перемещения вдоль его стенок по направляющим раму, жестко связанную со штоком, и кривошип, имеет на раме дополнительные направляющие, ориентированные перпендикулярно оси штока, а кривошип снабжен кареткой, установленной на нем с возможностью перемещения по направляющим рамы.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого кривошипного механизма поршневого двигателя; на фиг. 2 - вариант выполнения с четырьмя поршнями.

Механизм содержит корпус 1, направляющие 2 вдоль стенок корпуса, штоки 3, поршни 4, раму 5, горизонтальные направляющие 6 рамы, каретку 7, эксцентриковую шейку 8 кривошипа.

Устройство работает следующим образом. При вращении коленчатого вала двигателя с кривошипом (по часовой стрелке) эксцентриковая шейка 8 описывает круговую траекторию, изображенную на фиг. 1 штриховой линией. При ее перемещении из крайнего левого положения вправо-вверх вертикальная составляющая этого перемещения передается каретке 7, раме 5, штоку 3 и поршню 4. Поршень перемещается вверх.

Горизонтальная составляющая перемещения шейки 8 передается лишь каретке 7 в силу ее свободного скольжения вдоль рамы 5 по направляющим 6. Таким образом, круговое движение шейки 8 кинематически однозначно связано с вертикальным движением поршня 4. В силу однозначности этой связи механическая энергия может передаваться как от коленчатого вала через шейку 8 к поршню 4 (режим насоса), так и обратно (режим рабочего хода).

Верхнее зенитное положение шейки 8 соответствует верхней мертвой точке (ВМТ) поршня 4. Наоборот, крайнему нижнему положению шейки соответствует нижняя мертвая точка (НМТ) поршня 4. Таким образом, при циклическом вращении коленчатого вала и шейки 8 поршень 4 совершает поступательно-возвратное движение между НМТ и ВМТ. Поскольку при этом поглощаемая от вала насосная мощность поршней намного меньше их положительной мощности рабочего хода, в целом поршни передают на коленчатый вал (за вычетом небольших потерь на трение) положительную выходную мощность вращения.

Описанное устройство может содержать два поршня. Компоновка, при которой оба поршня имеют штоковые соединения с рамой с одной, например верхней, стороны, называется рядной. Если же поршни соединяются с рамой с разных сторон, например сверху и снизу, то компоновка будет оппозитной. Обычно при оппозитной компоновке поршни ориентируют горизонтально.

При рядной компоновке штоковые усилия распределены ближе к концам рамы, что уменьшает стрелу ее прогиба и позволяет несколько снизить сечения и вес рамы. При оппозитной компоновке газовые силы, передаваемые через штоки, частично уравновешиваются на раме. При этом силовой режим каретки и шейки кривошипа существенно облегчается.

На фиг. 2 изображен четырехпоршневой механизм, сочетающий преимущества как рядной, так и оппозитной компоновок. Такой вариант позволяет достичь максимальной компактности и минимального веса конструкции.

Применение четырехпоршневых механизмов по данному техническому решению позволяет, например, разработать 12-цилиндровый двигатель, вал которого имеет всего три колена.

Заявляемая конструкция кривошипного механизма поршневого двигателя в любом варианте выполнения позволяет использовать ее в двигателях с задействованными подпоршневыми объемами, например, двойного действия.

Использование: изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к поршневым двигателям. Сущность изобретения: устройство имеет корпус 1 с направляющими вдоль его стенок 2, шток 3, жестко связанный с поршнем 4. В корпусе расположена рама 5 с горизонтальными направляющими 6, каретка 7, выполненная с возможностью перемещения по этим направляющим, а также кривошип с эксцентриковой шейкой 8, расположенной на каретке 7. 2 ил.

КРИВОШИПНЫЙ МЕХАНИЗМ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ, содержащий по крайней мере один поршень, жестко связанный со штоком, расположенную в корпусе с возможностью перемещения вдоль его стенок по направляющим раму, жестко связанную со штоком, и кривошип, отличающийся тем, что на раме выполнены перпендикулярно к оси штока направляющие, а кривошип снабжен кареткой, установленной на нем с возможностью перемещения по направляющим рамы.