ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F16F15/30 F02B75/06 

Изобретение относится к области двигателестроения и может найти применение в конструкции двигателей, предназначенных для работы в составе силовых передач (силовых установок).

Известно, что поршневые двигатели внутреннего сгорания, вследствие цикличности газовых и инерционных нагрузок, являются одними из основных источников динамических нагрузок в силовых передачах ([1] Силовые передачи транспортных машин. Л. Машиностроение. 1982). Для уменьшения динамических нагрузок применяются, например, торсионные валы, соединяющие двигатель с трансмиссией ([2] а.с. N 1207823, B 60 K 17/04).

Недостатком указанной конструкции являются большие осевые габариты, потребные для размещения торсиона, а также низкие демпферующие свойства торсиона.

Указанный недостаток частично устранен в двигателе внутреннего сгорания ([3] Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. А.С. Орлина. М. Машиностроение. 1984, стр. 219, рис. 171), который является наиболее близким аналогом заявленному двигателю
Существенными признаками наиболее близкого аналога, общими с признаками заявленного устройства, являются коленчатый вал, маховик и устройство отбора мощности.

Применение маховика на двигателе позволяет, как известно, существенно уменьшить неравномерность крутящего момента и снизить динамические нагрузки в силовой передаче.

Однако частотные характеристики силовой передачи изменяются незначительно и не исключают возможность возникновения резонансных режимов в рабочем диапазоне частот вращения коленчатого вала, что сопровождается повышенными динамическими нагрузками и шумностью работы, а также поломками коленчатого вала и элементов передачи.

Таким образом, рассматриваемая конструкция двигателя характеризуется недостаточной надежностью и низкими эксплуатационными качествами.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение является повышение надежности и улучшение эксплуатационных качеств двигателя внутреннего сгорания, а также силовых установок с такими двигателями.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является:
- исключение резонансных режимов из всей зоны рабочих частот вращения коленчатого вала двигателя;
- снижение динамических нагрузок в коленчатом вале и элементах силовой передачи, в том числе и на неустановившихся режимах работы двигателя;
- обеспечение минимальных габаритов при размещении двигателя в силовой установке.

Существенными признаками, характеризующими изобретение и отличающими его от наиболее близкого аналога во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны, являются:
- диск со ступицей;
- комплект пружин;
- цилиндрическая расточка внутри маховика;
- периферийные выемки в маховике;
- размещение диска внутри цилиндрической расточки;
- установка ступицы на подшипники внутри цилиндрической расточки;
- размещение пружин в периферийных выемках и совпадающих с ними периферийных отверстиях диска;
- закрепление устройства отбора мощности на ступице.

Существенными признаками изобретения, характеризующими его в частных случаях исполнения, являются:
- выполнение маховика, состоящим из корпуса, проставки и крышки;
- соединение перечисленных деталей в единый узел-маховик посредством призонных штифтов и болтов;
- закрепление на коленчатом вале корпуса маховика;
- выполнение периферийных выемок в корпусе и проставке;
- выполнение торцовых поверхностей периферийных выемок в маховике под углом Φ друг к другу;
- выполнение угла Φ в соответствии с зависимостью:
0 < Φ < Φ_o,
где: Φ_o - угол между прямыми, проходящими через центр торцевых поверхностей выемок и ось коленчатого вала.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом заключается в следующем:
- исключение резонансных режимов достигается размещением между собственно маховиком и устройством отбора мощности диска с комплектом пружин, что существенно изменяет частотные характеристики установки, в том числе, на величину, необходимую в каждом конкретном случае;
- исключение резонансных режимов работы исключает появление разрушающих динамических нагрузок. Кроме того, наличие пружин снимет нагрузки, возникающие на неустановившихся режимах работы;
- выполнение маховика составным и размещение диска внутри маховика обеспечивает минимальные габариты устройства;
- выполнение торцевых поверхностей выемок под указанным углом снимет нагрузки и увеличит надежность работы пружин, т.е. двигателя.

Таким образом, указанные признаки повышают надежность и эксплуатационные качества двигателя внутреннего сгорания,
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен продольный разрез двигателя в области маховика; на фиг. 2 - вид на периферийные выемки при снятой крышке.

Двигатель содержит коленчатый вал 1, маховик и устройство отбора мощности 2. На фиг. 1 изображен частный случай устройства отбора мощности в виде внутренних шлицев. Маховик состоит из корпуса 3, проставки 4 и крышки 5. Детали 3, 4 и 5 в указанной последовательности связаны между собой призонными штифтами 6 и болтами 7. Корпус 3 непосредственно связан с коленчатым валом 1, причем на фиг. 1 изображен частный случай крепления маховика - с натягом по цилиндрической поверхности. Внутри маховика выполнена цилиндрическая расточка 8.

В случае выполнения маховика, состоящим из корпуса 3, проставки 4 и крышки 5 - цилиндрическая расточка 8 выполнена в корпусе 3 и в проставке 4.

Внутри цилиндрической расточки 8 размещен диск 9, изготовленный в приведенном примере зацело со ступицей 10. Ступица 10 установлена внутри цилиндрической расточки 8 на подшипниках 11. На периферии цилиндрической расточки 8 в корпусе 3 и в проставке 4 выполнены равномерно расположенные по окружности выемки 12. Внутри выемок 12 и совпадающих с ними отверстиях 13 диска 9 установлены пружины 14. Выемки 12 по форме могут быть приближены к форме пружины, как это показано в верхней части фиг. 1.

Маховик в сборе (корпус 3, проставка 4 и крышка 5) подвергается динамической балансировке. Возможно проведение балансировки и в сборе с диском 9, ступицей 10, подшипниками 11 и пружинами 14. Призонные штифты 6 необходимы для исключения разбалансировки при разборке узла. Съемная крышка 5 позволяет проводить обработку выемок 12 в обеих деталях 3 и 4 с одной установки. Такая обработка, в сочетании с симметричным расположением выемок 12 относительно диска 9, обеспечивает равномерное нагружение пружин 14, что повышает надежность и эксплуатационные качества двигателя. Кроме того, при снятой крышке 5 возможно проведение контроля установки пружин 14 в выемках 12. Для увеличения момента инерции маховика удобно увеличивать массу крышки 5 как детали, расположенной на максимальном диаметре.

Выполнение угла взаимного расположения торцевых поверхностей 15 (фиг. 2) выемок 12 под углом Φ в указанном диапазоне обеспечивает оптимальные условия работы пружин 14. В случае выполнения Φ = 0 обеспечивается прямолинейностью оси пружины при ее установке в выемку 12. При работе двигателя, вследствие передачи крутящего момента, имеет место взаимное угловое смещение маховика и диска 9, что сопровождается искривлением оси пружины. В результате при максимальных нагрузках на пружину имеет место максимальное искривление ее оси, что снимет надежность двигателя.

В случае выполнения Φ = Φ_o максимальное искривление оси пружины имеет место при отсутствии нагрузки. По мере увеличения передаваемого крутящего момента искривление оси уменьшается. Однако в этом случае пружина во всем диапазоне нагрузок работает с искривленной осью.

В случае предлагаемого выполнения угла Φ пружина при сборке устанавливается в выемку 12 с некоторым начальным искривлением оси. Однако при увеличении деформации пружины указанное искривление уменьшается и при номинальных (максимальных) нагрузках ось пружины выпрямляется полностью. Этим достигается равномерное распределение напряжений в витках пружины и повышение ее надежности. Обеспечение прямолинейности оси пружины при максимальных (или любых заданных) нагрузках, обеспечивается выбором угла из указанного диапазона в каждом конкретном случае выполнения двигателя.

Устройство работает следующим образом.

При работе двигателя переменный крутящий момент с коленчатого вала 1 передается на корпус 3 и проставку 4. Торцевые поверхности 15 выемок 12, выполненные в корпусе 3 и проставке 4, обеспечивают равномерное нагружение пружин 14, посредством которых окружное усилие (крутящий момент) передается через диск 9 и ступицу 10 устройству 2 отбора мощности. Применение пружин 14 в сочетании с маховиком меняют динамическую схему силовой установки, выводя резонансные режимы из зоны рабочих частот вращения, что исключает возникновение опасных нагрузок в деталях двигателя и трансмиссии.

Из изложенного следует, что в заявянном устройстве обеспечены высокая надежность и повышенные эксплуатационные качества.

Все элементы заявленного устройства и устройство в целом изготавливаются на предприятиях отечественной промышленности с использованием освоенных и относительно простых технологий. Недоступные материалы и технологии не используются.

В настоящее время на Челябинском тракторном заводе изготовлены три опытных образца, успешно проходящих стендовые испытания.

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Двигатель внутреннего сгорания содержит коленчатый вал, маховик и устройство отбора мощности, а также диск со ступицей и комплект пружин. Внутри маховика выполнена цилиндрическая расточка с периферийными выемками, внутри цилиндрической расточки размещен диск со ступицей, установленной на подшипники. В периферийных выемках и в совпадающих с выемками периферийных отверстиях диска размещены пружины. Устройство отбора мощности закреплено на ступице. Маховик состоит из корпуса, проставки и крышки, связанных между собою призонными штифтами и болтами. На коленчатом вале закреплен корпус маховика, цилиндрическая расточка и периферийные выемки выполнены в корпусе и в проставке. Торцевые поверхности периферийных выемок в маховике расположены под углом Φ друг к другу, причем величина Φ определяется из соотношения 0 < Φ < Φ_o, где Φ_o - угол между прямыми, проходящими через центры торцевых поверхностей периферийных выемок и ось коленчатого вала. Технический результат заключается в повышении надежности и улучшении эксплуатационных качеств двигателя. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий коленчатый вал, маховик и устройство отбора мощности, отличающийся тем, что двигатель дополнительно содержит диск со ступицей и комплект пружин, причем внутри маховика выполнена цилиндрическая расточка с периферийными выемками, внутри цилиндрической расточки размещен диск со ступицей, установленной на подшипники, в периферийных выемках и в совпадающих с выемками периферийных отверстиях диска размещены пружины, а устройство отбора мощности закреплено на ступице. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что маховик состоит из корпуса, проставки и крышки, связанных между собою призонными штифтами и болтами, причем на коленчатом вале закреплен корпус маховика, а цилиндрическая расточка и периферийные выемки выполнены в корпусе и в проставке. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что торцевые поверхности периферийных выемок в маховике расположены под углом Φ друг к другу, причем величина Φ определяется из соотношения 0 < Φ < Φ_o, где Φ_o - угол между прямыми, проходящими через центры торцевых поверхностей периферийных выемок и ось коленчатого вала.