ШАТУННО-ПОРШНЕВОЙ УЗЕЛ Российский патент 2001 года по МПК F16J1/22 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к устройству шатунно-поршневого узла.

В широко известной конструкции шатунно-поршневого узла соединение поршня с шатуном осуществляется с помощью поршневого пальца, выполненного в виде цилиндра.

Недостатком этого соединения является то, что ось поршневого пальца должна быть расположена на поршне ниже канавок под поршневые кольца, а это приводит к увеличению габаритов всего двигателя. Чтобы уменьшить габариты, идут по пути уменьшения длины шатуна, что увеличивает механические потери. Частичное разрешение этого противоречия и является целью настоящего предложения: т.е. создание шатунно-поршневого узла с малыми габаритами и в то же время с большой теоретической длиной шатуна.

Известно также устройство, описанное в заявке N 97102529/06 от 18.02.97г., кл. МПК 6 F 6 J 1/22 под названием "Шатунно-поршневой узел".

Недостатком известного устройства является недостаточная прочность узла при высоких оборотах двигателя. С увеличением оборотов инерционные нагрузки резко возрастают и когда силы инерции поршня направлены в сторону камеры сгорания и идет растяжение узла, в сферическом соединении поршень-шатун появляется боковая составляющая сила, которая в пределах упругих деформаций деформирует юбку поршня в этом направлении. В результате происходит увеличение диаметра юбки поршня, поршень начинает подклинивать в цилиндре и возрастают механические потери.

Задачей изобретения является одновременное увеличение прочности поршня и резкое снижение боковой составляющей силы, вызывающей деформацию юбки поршня.

Технический результат достигается тем, что в шатунно-поршневом узле, содержащем поршень и соединенный с ним шатун, верхняя головка которого выполнена в виде чашеобразного элемента с прямыми усеченными краями по ширине шатуна с наружной и внутренней сферическими поверхностями, центры сфер которых расположены со стороны камеры сгорания двигателя, в поршне выполнена перегородка, а полость расположена в перегородке, выполненная в виде щели, образованной двумя сферическими поверхностями большой и малой сферой с боковыми стенками, на концах полости на одной стороне перегородки, которые контактируют с одним прямолинейным краем усеченного чашеобразного элемента шатуна в пределах рабочего угла качания шатуна, а в перегородке выполнен открывающий часть полости центральный канал для прохода через него стержня шатуна, согласно изобретению на одной стороне перегородки поршня, на стороне, где выполнены боковые стенки, от большой сферы поршня в сторону юбки поршня выполнена перемычка, расположенная вдоль перегородки поршня, которая является частью большой сферы поршня, соединяет боковые стенки и два противоположных участка большой сферы поршня, частично перекрывает центральный канал поршня параллельно прямому усеченному краю шатуна со стороны боковых стенок и заходит своей поверхностью большой сферы на поверхность наружной сферы шатуна, с возможностью взаимного контакта на ширине от прямого усеченного края чашеобразного элемента до стержня шатуна. Перемычка и боковые стенки при литье заготовки поршня армированы прочным материалом в виде тонкой стальной пластины, расположенной вдоль перегородки поршня и соединяющей боковые стенки с обеих сторон сферической щели. При других способах изготовления поршня на торце перегородки поршня со стороны юбки поршня выполнена кольцевая проточка с диаметром большим, чем размер центрального канала, в которую установлено кольцо из прочного материала вытянутой формы с прямыми и кольцевыми противоположными сторонами, охватывающее по периметру перегородку поршня вместе с перемычкой и боковыми стенками, проточка после сборки узла развальцована.

Выполненная на перегородке поршня перемычка увеличивает прочность юбки поршня в боковом направлении и одновременно снижает боковую силу, деформирующую юбку поршня. Перемычка с выполненной на ней большой сферической поверхностью воспринимает часть растягивающих сил инерции, а так как угол приложения этих сил в центре перемычки равен нулю, общая боковая составляющая сил значительно уменьшается. Армирование пластиной перемычки и боковых стенок поршня, а в других случаях установка охватывающего перегородку кольца из прочного материала, увеличивают прочность юбки поршня в направлении действия боковых сил инерции.

Предложенное устройство позволяет не только увеличить прочность поршня в поперечном направлении, но и значительно снизить те силы, которые действуют в этом направлении. Тем самым резко уменьшаются, почти на порядок, поперечные деформации поршня от растягивающих сил инерции и появляется реальная возможность применить сферическое соединение поршня с шатуном на высокооборотных двигателях. Таким образом, устройство имеет повышенную прочность и позволяет улучшить технико-экономические показатели двигателя внутреннего сгорания.

На фиг. 1 и 2 изображены продольные разрезы поршня; на фиг. 3 - вид поршня снизу; на фиг. 4 и 5 - продольный разрез и вид сверху шатуна.

Шатунно-поршневой узел состоит из поршня 1 и шатуна 2. В поршне 1 имеется широкая перегородка 3 с внутренней полостью 4. Верхняя головка шатуна 2 выполнена в виде чашеобразного элемента с наружной и внутренней сферическими поверхностями 6 и 7. Чашеобразный элемент выполнен усеченным по ширине шатуна и имеет удлиненные концы в виде лепестков 5. Шатун 2 установлен в центральном канале 13. Верхняя головка шатуна размещена в полости 4 с возможностью контакта по сферическим поверхностям 6 и 7 и одним прямолинейным краем чашеобразного элемента шатуна с боковыми стенками 8. Противоположные участки большой сферы 7 поршня и боковые стенки 8 соединены перемычкой 9, на которой также выполнена сферическая поверхность 7. Перемычка 9 армирована пластиной 10, на торце перегородки 3 выполнена проточка, в которую установлено кольцо 11.

Устройство работает следующим образом.

При работе двигателя сферические лепестки 5 чашеобразного элемента шатуна 2 перемещаются в полусферической полости поршня 4, совершая колебательные движения в пределах рабочего угла качания шатуна 2. Все нагрузки передаются от поршня 1 шатуну 2 и обратно через сферические поверхности 6 и 7 поршня 1 и сферические поверхности чашеобразного элемента шатуна 2. Сферическая поверхность 7 поршня 1, выполненная одновременно на противоположных участках поршня 1 и перемычке 9, имеет повышенную жесткость и передает силу инерции поршня 1 на чашеобразный элемент шатуна 2 с минимальными деформациями поршня 1 даже на высоких оборотах двигателя.

Шатунно-поршневой узел преимущественно для ДВС позволяет увеличить межцентровое расстояние шатуна без увеличения габаритов узла, уменьшить угол качания шатуна и снизить боковую силу. Снижается масса узла за счет исключения массы поршневого пальца и уменьшения масс поршня и шатуна. Общее снижение массы составляет примерно 25%. Усилие перегородки поршня путем введения перемычки и армирование перемычки позволяют снизить деформацию поршня от растягивающих сил инерции, что дает возможность применить соединение поршня с шатуном на формированных двигателях. Предложенное соединение содержит поршень и шатун. Верхняя головка шатуна выполнена в виде чашеобразного элемента, усеченного по ширине шатуна. Поршень внутри имеет широкую перегородку, в которой выполнена внутренняя полусферическая полость с боковыми стенками на концах полости на одной стороне перегородки с возможностью контакта боковых стенок с прямолинейным усеченным краем чашеобразного элемента в пределах рабочего угла качания шатуна. Центральный канал, в котором проходит стержень шатуна, со стороны боковых стенок перекрыт перемычкой. Перемычка соединяет боковые стенки, противоположные участки поршня, увеличивает прочность поршня и воспринимает часть растягивающих инерционных сил поршня. Перемычка выполнена заодно с поршнем и армирована стальной пластиной при отливке поршня, в других случаях на торце перегородки поршня установлено кольцо из прочного материала, охватывающее перегородку. 5 ил.

1. Шатунно-поршневой узел, содержащий поршень и соединенный с ним шатун, верхняя головка которого выполнена в виде чашеобразного элемента, усеченного по ширине шатуна, с наружной и внутренней сферическими поверхностями, центры сфер которых расположены со стороны камеры сгорания двигателя, а в перегородке поршня выполнена полость в виде щели, образованной двумя сферическими поверхностями большой и малой сфер с боковыми стенками, на концах полости на одной стороне перегородки, которые контактируют с одним прямолинейным краем усеченного чашеобразного элемента шатуна в пределах рабочего угла качания шатуна, и центральный канал, открывающий часть полости для прохода через него стержня шатуна, отличающийся тем, что вдоль перегородки поршня на стороне боковых стенок от большой сферы в сторону юбки поршня выполнена перемычка, которая является частью большой сферы поршня, соединяет боковые стенки и противоположные участки большой сферы поршня с одной стороны перегородки, частично перекрывает центральный канал поршня со стороны боковых стенок и контактирует своей поверхностью большой сферы с поверхностью наружной сферы чашеобразного элемента шатуна на ширине от прямого края чашеобразного элемента до стержня шатуна, перемычка и боковые стенки при литье заготовки армированы прочным материалом, а на торце перегородки поршня за пределами центрального канала выполнена кольцевая проточка, в которую установлено кольцо из прочного материала вытянутой формы с прямыми и кольцевыми противоположными сторонами, охватывающее по периметру перегородку поршня.