ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F01B31/04 F02B75/06 F16F15/28 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к поршневым двигателям с кривошипами коленчатого вала, расположенными в одной плоскости.

Известен двухцилиндровый поршневой двигатель, например 2410, 5/13 с кривошипами коленчатого вала, расположенными под углом 180^oC [1]
Наиболее близким к изобретению является двухцилиндровый поршневой двигатель Д-16 (четырехтактный) с кривошипами коленчатого вала (расположенными под 180^o), содержащий корпус, цилиндры, размещенные в цилиндрах поршни, коленчатый вал, шатуны, соединяющие поршни с коленчатым валом, по меньшей мере пару противовесов, установленных с возможностью вращения в противоположные стороны и кинематически связанные с коленчатым валом с передаточным соотношение 1:1 [2]
У этого двигателя силы направлены в разные стороны, за исключением сил инерции 2-го порядка. Силы инерции I-го порядка:
1 кол
P_j1 = - m_ARω²cosα
2 кол

ΣP_j1 = 0
Силы инерции II-го порядка:
1 кол 2 кол

Сумма центробежных сил равна нулю:
ΣP_jц = 0
У описанного двигателя не уравновешены моменты:

Момент сил инерции 2-го порядка относительно оси симметрии вала равен нулю.

Для уравновешивания момента центробежных сил устанавливают противовесы на щеках, масса которых определяется по рассмотренной выше методике. Уравновешивание моментов сил инерции I-го порядка можно достигнуть установкой уравновешивающего механизма.

Недостатком описанного двигателя является то, что у него не уравновешен опрокидывающий момент, вызывающий значительные вибрации поршневой машины.

Задача изобретения увеличение ресурса поршневой машины путем снижения вибрации за счет одновременного уравновешивания сил инерции первого порядка и опрокидывающего момента от суммарных газовых и инерционных сил.

Задача решается тем, что в предлагаемом поршневом двигателе с кривошипами коленчатого вала, расположенными в одной плоскости, содержащем корпус, цилиндры, размещенные в цилиндрах поршни, коленчатый вал, шатуны, соединяющие поршни с коленчатым валом, по меньшей мере пару противовесов, установленных с возможностью вращения в противоположные стороны и кинематически связанных с коленчатым валом передаточным соотношением 1:1, противовесы расположены на расстоянии L R ± 0,5 R ниже оси коленчатого вала, одинаково удалены от середины коленчатого вала и направлены в одну сторону.

В предлагаемом двигателе не уравновешены силы инерции I и II порядка и центробежные силы, моменты этих сил уравновешены.

Силы инерции I-го порядка:
1 кол

2 кол

ΣP_j1 = - 2m_ARω²cosα
Силы инерции 2-го порядка:
1 кол 2 кол

Центробежные силы:
1 кол
P_jц = m_врRω²cosα
2 кол
P_jц = m_врRω²cosα

Годографом сил инерции I-го и II-го порядков является прямая линия, направленная вдоль осей цилиндров, годографом центробежных сил является окружность, центр которой совпадает с осью коленчатого вала.

Новым в предлагаемом поршневом двигателе, является то, что противовесы уравновешивающего механизма первого порядка этого двигателя расположены на расстоянии L R ± 0,5 R ниже оси коленчатого вала, одинаково удалены от середины коленчатого вала и направлены в одну сторону.

Благодаря этому в поршневом двигателе одновременно уравновешиваются силы инерции первого порядка и опрокидывающий момент от суммарных газовых и инерционных сил, что приводит к снижению вибрации и увеличению ресурса поршневой машины.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого поршневого двигателя, вид с торца; на фиг. 2 то же, вид сбоку; на фиг. 3 график изменения опрокидывающего момента в зависимости от угла поворота коленчатого вала, момента уравновешивающего механизма и остаточного момента.

Поршневой двигатель с кривошипами коленчатого вала, расположенными в одной плоскости, состоит из поршней 1, шатунов 2, связанных с коленчатым валом 3, на котором установлены противовесы 4, шестерен 5, 6, и 7, 8 с передаточным отношением 1:1 противовесов 9 и 10.

Поршни перемещаются в цилиндрах 11, находящихся в одной плоскости. Противовесы 9 и 10 расположены вдоль осей цилиндров на расстоянии L 0,5 - 1,5 R.

При действии суммарных газовых сил инерции P (фиг. 2) на поршень 1 и через шатун 2 на коленчатый вал 3 происходит разложение сил на силу K, действующую вдоль шатуна, и силу N, перпендикулярную боковой поверхности поршня.

Сила N относительно оси коленчатого вала создает опрокидывающий момент, который равен и противоположно направлен крутящему моменту, отдаваемому потребителю.

Опрокидывающий (крутящий) момент изменяется по зависимости:

где R радиус кривошипа,
α угол поворота кривошипа (Вихерт М.М. и др. Конструкция и расчет автотракторных двигателей. М. Машиностроение, 1964, с. 30).

Для уравновешивания центробежных сил и наполовину сил инерции первого порядка на коленчатом валу 3 установлены противовесы 4. С помощью шестерен 5, 6 и 7, 8 с передаточным отношением 1:1 приводятся противовесы 9 и 10 уравновешивающего механизма, которые полностью уравновешивают силы инерции первого порядка.

Одновременно противовесы 9 и 10 создают проекцию силы q на горизонтальную плоскость и силу t (фиг. 2), которая с учетом плеча L образуют момент M_ур= t•L gL sina способный при соответствующем подборе плеча L уравновешивать опрокидывающий момент M_опр..

Проведенные расчеты с различными индикаторными давлениями от 6,1 до 10,8 кг/см² и частотой вращения от 1500 до 1800 об/мин показали, что оптимальное плечо L получается в пределах 0,5R 1,5R, где R радиус кривошипа.

Результаты расчетов уравновешивания опрокидывающего момента двигателя 2415 x 18 приведены в таблице.

Уравновешивание суммарного относительно опрокидывающего момента для двигателя 2415 x 18 показано на фиг. 3 отнесенные к радиусу кривошипа моменты: опрокидывающий M_опр/R уравновешивающего механизма M_ур/2 и остаточный M_ост/R в зависимости от угла поворота кривошипа a с P_i=6,1 кгс/см² и n=1500 об/мин. Расстояние до уравновешивающего механизма L 0,5 R.

На фиг. 4 показаны отнесенные к радиусу кривошипа моменты: опрокидывающий M_опр/2 уравновешивающего механизма M_ур/2 и остаточный M_ост/2 в зависимости от угла поворота кривошипа a с P_i 6,1 кгс/см² и n=1800 мин^-1. Расстояние до уравновешивающего механизма L 0,5R.

На фиг. 5 показаны отнесенные к радиусу кривошипа моменты: опрокидывающий M_опр/2 уравновешивающего механизма M_ур/R и остаточный M_ост/R в зависимости от угла поворота кривошипа a с P_i=10,8 кгс/см² и n 1500 об/мин. Расстояние до уравновешивающего механизма L R.

На фиг. 6 приведены отнесенные к радиусу кривошипа моменты: опрокидывающий M_опр/R, уравновешивающего механизма M_ур/R и остаточный M_ост/R в зависимости от угла поворота кривошипа a с P_i= 10,8 кгс/см² и n 1800 об/мин. Расстояние до уравновешивающего механизма L R.

Использование: в двигателестроении при уравновешивании поршневых машин. Сущность изобретения: поршневой двигатель с двумя кривошипами коленчатого вала, расположенными в одной плоскости, содержит поршни, шатуны, связанные с коленчатым валом, на котором установлены противовесы, шестерни с передаточным соотношением 1:1, противовесы. Противовесы расположены вдоль осей цилиндров, одинаково удалены от середины коленчатого вала, направлены в одну сторону и размещены ниже оси коленчатого вала на расстоянии L = R ± 0,5R, где R - радиус кривошипа. 6 ил., 1 табл.

Поршневой двигатель, содержащий корпус, цилиндры, размещенные в цилиндрах поршни, коленчатый вал с двумя кривошипами, расположенными в одной плоскости, шатуны, соединяющие поршни с коленчатым валом, по меньшей мере пару противовесов, установленных с возможностью вращения в противоположные стороны и кинематически связанных с коленчатым валом с передаточным отношением 1 1, отличающийся тем, что противовесы расположены на расстоянии L R ± 0,5R ниже оси коленчатого вала, одинаково удалены от середины коленчатого вала и направлены в одну сторону, где R радиус кривошипа.