КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ ПРИВОД Российский патент 2014 года по МПК F02B41/04 F02B75/32 F16H21/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к кривошипно-шатунному приводу. Привод имеет раму, которая может быть образована, в частности, корпусом, и неподвижно закрепленный на раме качающийся рычаг. Далее кривошипно-шатунный привод имеет кривошип, образующий выходную часть привода и неподвижно закрепленный на раме. Кривошип соединен с качающимся рычагом посредством шатуна. Для этого шатун шарнирно соединен с кривошипом и с концом качающегося рычага, противоположным неподвижно закрепленному концу качающегося рычага.

Уровень техники

Такие кривошипно-шатунные приводы применяются для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение. Так, например, в документе DE 1698561 U раскрыт двухкривошипно-шатунный привод без мертвых точек с двумя качающимися рычагами, коленно-рычажно соединенными через свои шатуны с коленчатым валом. Обслуживающие такой двухкривошипно-шатунный привод лица руками или ногами тянут и толкают качающиеся рычаги. Возникающее в результате маятниковое движение рычагов преобразуется через соответствующие соединенные с коленчатым валом шатуны во вращательное движение коленчатого вала.

Недостатком такого кривошипно-шатунного привода является, в частности, возникновение колебаний, так как для передачи приложенных сил на выходной вал требуются длинные рычаги. Длинные рычаги требуют много места для осуществления раскрытого кривошипно-шатунного привода и исключают компактную конструкцию.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения заключается в том, чтобы предложить просто построенный кривошипно-шатунный привод, открывающий благодаря компактности своей конструкции новые возможности применения.

В соответствии с настоящим изобретением эта задача решается предложением кривошипно-шатунного привода в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления и дальнейшие разработки настоящего изобретения определены в зависимых пунктах формулы.

В предлагаемом решении существенно предусмотреть для привода кривошипа первый цилиндр с подвижным поршнем и такое шарнирное соединение поршня с качающимся рычагом посредством штока, чтобы осевое перемещение поршня преобразовывалось в маятниковое движение качающегося рычага.

Главное преимущество решения согласно настоящему изобретению заключается в том, что, несмотря на компактность конструкции, в цилиндре, функционирующем с рабочим телом, могут создаваться большие силы. Силовой цилиндр может быть, в частности, выполнен плоским, чтобы кривошипно-шатунный привод согласно изобретению требовал особенно малой монтажной высоты.

Такой силовой цилиндр позволяет выполнить качающийся рычаг в виде короткого коромысла. Благодаря той силе, с которой поршень цилиндра может воздействовать на качающийся рычаг, для создания большого момента на кривошипе достаточно малого рычага. Кроме того, механизм шарнира коленчатого типа, имеющийся между качающимся рычагом и шатуном, усиливает воздействующий на кривошип момент. По мере распрямления ломаной линии, образованной качающимся рычагом и шатуном, на кривошип передается сильно возрастающий момент.

Таким конструктивно особенно простым способом создается, несмотря на компактные размеры кривошипно-шатунного привода, большой момент, который может развивать кривошип. Следующее преимущество кривошипно-шатунного привода согласно изобретению состоит в легкости управления силовым цилиндром. Кроме того, между концевыми точками возвратно-поступательного осевого перемещения поршня цилиндр может эксплуатироваться на разных скоростях и, тем самым, оптимально регулироваться соответственно различным угловым положениям механизма шарнира коленчатого типа и результирующему вращению кривошипа.

Таким образом, кривошипно-шатунный привод согласно изобретению образует двигатель, который благодаря своей компактной и, в частности, особенно плоской конструкции открывает широкие возможности применения.

Качающийся рычаг включает удаленный от неподвижного закрепления качающегося рычага участок, наклоненный под постоянным углом в сторону шатуна. Благодаря этому наклону продольная ось качающегося рычага и продольная ось удаленного от неподвижного закрепления участка качающегося рычага идут под углом друг к другу. Качающийся рычаг и его наклоненный в сторону шатуна участок предпочтительно изготавливаются из одного куска.

Наклон участка качающегося рычага в сторону шатуна приводит к возникновению более тупого угла в шарнире коленчатого типа между качающимся рычагом и шатуном. Благодаря этому шарнир в большом интервале углов поворота кривошипа движется в благоприятном для эффекта коленчатого рычага угловом диапазоне. Таким образом, в ходе вращения кривошипа сильнее проявляется силовой выигрыш за счет коленчатого рычага.

В частности, изменением длины отогнутого участка и/или варьированием его углового положения относительно продольной оси качающегося рычага кривошипно-шатунный привод согласно настоящему изобретению может быть просто подогнан к конкретным условиям применения. Таким образом, может быть точно установлен угол поворота кривошипа, при котором передается особенно высокий момент.

Далее предпочтительно, чтобы ось хода первого цилиндра располагалась под некоторым углом к перпендикулярной качающемуся рычагу плоскости. Чем острее выбирается этот угол, тем больше сужается осевая ширина кривошипно-шатунного привода. Таким образом, приводимый давлением рабочего тела двигатель может быть выполнен еще более компактным.

Далее особенно предпочтительно, чтобы шток шарнирно крепился в точке изгиба качающегося рычага. Для коэффициента полезного действия цилиндра важную роль играет действующая на поршень поперечная сила. Эта поперечная сила тем больше, чем больше угол, на который поперечная тяга, соединяющая поршень с качающимся рычагом, отклоняется в процессе осевого движения поршня от оси хода. Поэтому особенно предпочтительно согласовать друг с другом положения оси хода поршня, неподвижного крепления и шарнира на качающемся рычаге так, чтобы в процессе маятникового движения качающегося рычага поперечная тяга двигалась с минимально возможным угловым отклонением от оси хода. Шарнирное крепление согласно настоящему изобретению поперечной тяги в точке изгиба качающегося рычага допускает такое положение цилиндра, которое сужает осевую ширину кривошипно-шатунного привода с одновременным снижением поперечных сил, действующих на поршень, при использовании максимально возможного для данного расположения цилиндра рычажного эффекта качающегося рычага.

Далее особенно предпочтительно, чтобы качающийся рычаг был шарнирно соединен со вторым поршнем во втором цилиндре, расположенном относительно качающегося рычага со стороны, противоположной стороне первого цилиндра. С помощью этого второго цилиндра можно еще больше увеличить действующий на кривошип момент без существенного увеличения места, требуемого для кривошипно-шатунного привода. При этом выбранные в данной заявке обозначения цилиндров как первого и второго не связаны ни с какими особыми функциями, и эти обозначения можно поменять местами.

Предпочтительно, чтобы штоки шарнирно прикреплялись к соответственным образом поперечно расположенному относительно качающегося рычага отростку качающегося рычага. Это будет контрмерой против сужения поперечного сечения качающегося рычага в зоне возле точки шарнирного крепления шатунов и предотвратит ослабление качающегося рычага.

Далее особенно предпочтительно, чтобы боковой отросток качающегося рычага располагался на наклоненном в сторону шатуна участке качающегося рычага.

Предпочтительно располагать первый и второй цилиндры вдоль продольной оси качающегося рычага со сдвигом относительно друг друга, при этом ход поршня цилиндра, расположенного ближе к оси качаний качающегося рычага, меньше хода поршня другого цилиндра.

Далее особенно предпочтительно, чтобы ось хода первого цилиндра составляла некоторый угол с осью хода второго цилиндра. Благодаря этому каждый отдельный цилиндр располагается так, что действующая на его поршень поперечная сила минимальна.

Предпочтительно, чтобы в верхней точке поворота осевого движения поршня преодолевалась мертвая точка кривошипа. При этом благодаря начинающемуся осевому движению поршня прямо передается повышенный момент.

В одном особенно предпочтительном варианте осуществления цилиндр представляет собой часть двигателя внутреннего сгорания. Соответственно, поршень и цилиндр образуют камеру сгорания, в которую доставляется топливно-воздушная смесь для зажигания. Поршень двигателя внутреннего сгорания под действием давления, возникающего при сгорании топливно-воздушной смеси, движется в направлении своей нижней мертвой точки. По мере увеличения объема камеры сгорания давление в камере сгорания снижается. Одновременно движение поршня изменяет угол коленчатого рычага и тем самым его передаточное отношение.

В процессе движения поршня от верхней мертвой точки к нижней угол коленчатого рычага, вследствие того, что качающийся рычаг изогнут согласно настоящему изобретению, выпрямлен больше, чем в кривошипно-шатунном приводе с прямым качающимся рычагом. Поэтому коленчатый рычаг в процессе всего хода поршня располагается под сравнительно более благоприятным для эффекта коленчатого рычага углом. В особенности непосредственно после зажигания смеси движущие поршень высокие давления благодаря более распрямленному коленчатому рычагу обеспечивают улучшенное передаточное отношение.

Краткое описание чертежей

Дальнейшие преимущества и особенности изобретения вытекают из нижеследующего описания и представленного на чертеже примера осуществления.

На ФИГ.1 представлен пример осуществления кривошипно-шатунного привода согласно настоящему изобретению, с приводом кривошипа от цилиндра.

Осуществление изобретения

Схематически изображенный на ФИГ.1 кривошипно-шатунный привод включает качающийся рычаг 1, на одном конце которого имеется ось качаний 2 качающегося рычага, неподвижно закрепленная на не показанной раме. Выходной частью кривошипно-шатунного привода является кривошип 3, ось вращения 4 которого также неподвижно закреплена на раме. Ось качаний 2 качающегося рычага и ось 4 расположены параллельно друг другу. Шатун 5 шарниром 6 соединен с участком 8 качающегося рычага 1, причем этот участок отклоняется на некоторый угол от продольной оси 7 качающегося рычага.

Отклоняющийся участок 8 наклонен под постоянным углом относительно продольной оси 7 качающегося рычага 1 в сторону шатуна 5 и предпочтительно изготавливается за одно целое с качающимся рычагом 1. Благодаря этому между продольной осью 9 наклоненного к шатуну 5 участка 8 и продольной осью 10 шатуна 5 образуется меняющийся по мере вращения кривошипа 3 угол «α». Этот угол «α» в процессе вращения кривошипа 3 становится более тупым, чем угол между продленной продольной осью 7 качающегося рычага 1 и продольной осью 10 шатуна 5. Действующий в шарнире 6 эффект коленчатого рычага усилен отклоняющимся участком 8 в сравнении с эффектом коленчатого рычага, достижимым с прямым качающимся рычагом, то есть качающимся рычагом, не имеющим отклоняющегося участка.

Кроме того, наличие угла между продольной осью 7 качающегося рычага 1 и продольной осью 10 шатуна 5 позволяет сократить расстояние между неподвижным закреплением качающегося рычага 1 на оси качаний 2 качающегося рычага и неподвижным закреплением кривошипа 3 на оси 4. Это дает возможность усилить эффект коленчатого рычага при сохранении компактности конструкции кривошипно-шатунного привода согласно настоящему изобретению. Величина постоянного угла выбирается соответственно требуемому передаточному отношению коленчатого рычага и/или требуемой миниатюризации конструкции. В изображенном варианте осуществления этот угол составляет около 15 градусов.

На противоположном шарниру 6 конце шатуна 5 последний шарнирно соединен с внешней зоной кривошипа 3. Воздействующая через этот шарнир 11 на кривошип 3 сила вызывает вращение кривошипа 3, которое передается выходному валу двигателя согласно настоящему изобретению.

В качестве привода качающегося рычага 1 предусмотрен наполняемый рабочим телом цилиндр 12, поршень 13 которого через шток 14 шарнирно соединен с качающимся рычагом 1. Шарнир 15, соединяющий шток 14 и качающийся рычаг 1, находится в точке изгиба между качающимся рычагом 1 и его отклоняющимся участком 8. Ось хода 16 цилиндра 12 при полностью введенном в цилиндр поршне 13 располагается под углом к плоскости, перпендикулярной качающемуся рычагу 1.

Благодаря эффекту коленчатого рычага создаваемая сила значительно увеличивается в интервале распрямления угла «α». Результирующая сила, действующая на кривошип 3, рассчитывается по формуле F=G/(2*cos α/2), где G - это сила, действующая со стороны поршня на качающийся рычаг, а F - результирующая сила. Таким образом, момент, создаваемый результирующей силой F на плече кривошипа 3, тем больше, чем более распрямлен угол «α».

Изобретение может быть использовано для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение. Кривошипно-шатунный привод имеет раму, качающийся рычаг (1), неподвижно закрепленный на раме, кривошип (3), образующий выходную часть привода и неподвижно закрепленный на раме, и шатун (5), соединяющий кривошип (3) с качающимся рычагом (1). Шатун (5) шарнирно соединен с кривошипом (3) и с концом качающегося рычага (1), противоположным неподвижному креплению (2) качающегося рычага. Для привода кривошипа (3) предусмотрен первый цилиндр (12) с подвижным поршнем (13). Поршень (13) и качающийся рычаг (1) шарнирно соединены друг с другом посредством штока (14) для преобразования осевого перемещения поршня (13) в маятниковое движение качающегося рычага (1). Качающийся рычаг (1) имеет участок (8), удаленный от неподвижного крепления качающегося рычага (1) и наклоненный под постоянным углом в сторону шатуна (5). Качающийся рычаг (1) и шатун (5) образуют механизм шарнира коленчатого типа. Технический результат заключается в увеличении крутящего момента на кривошипе. 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Кривошипно-шатунный привод, имеющий раму, которая может быть образована, в частности, корпусом, качающийся рычаг (1), неподвижно закрепленный на раме, кривошип (3), образующий выходную часть привода и неподвижно закрепленный на раме, и шатун (5), соединяющий кривошип (3) с качающимся рычагом (1), причем шатун (5) шарнирно соединен с кривошипом (3) и с концом качающегося рычага (1), противоположным неподвижному креплению (2) качающегося рычага, а для привода кривошипа (3) предусмотрен первый цилиндр (12) с подвижным поршнем (13), при этом поршень (13) и качающийся рычаг (1) шарнирно соединены друг с другом посредством штока (14) таким образом, чтобы осевое перемещение поршня (13) преобразовывалось в маятниковое движение качающегося рычага (1), отличающийся тем, что качающийся рычаг (1) имеет участок (8), удаленный от указанного неподвижного крепления качающегося рычага (1) и наклоненный под постоянным углом в сторону шатуна (5), при этом качающийся рычаг (1) и шатун (5) образуют механизм шарнира коленчатого типа.

2. Привод по п.1, отличающийся тем, что удаленный участок (8) выполнен заодно с качающимся рычагом (1).

3. Привод по п.2, отличающийся тем, что шток (14) шарнирно прикреплен в точке изгиба качающегося рычага (1).

4. Привод по п.1, отличающийся тем, что ось хода (16) первого цилиндра (12) расположена под углом к плоскости, перпендикулярной качающемуся рычагу (1).

5. Привод по п.1, отличающийся тем, что качающийся рычаг (1) шарнирно соединен со вторым поршнем во втором цилиндре, расположенном относительно качающегося рычага (1) со стороны, противоположной стороне первого цилиндра (12).

6. Привод по п.5, отличающийся тем, что каждый из штоков (14) шарнирно прикреплен к отростку качающегося рычага (1), поперечно расположенному относительно качающегося рычага (1).

7. Привод по п.6, отличающийся тем, что отросток качающегося рычага (1) расположен на наклоненном в сторону шатуна (5) участке (8) качающегося рычага (1).

8. Привод по одному из пп.5-7, отличающийся тем, что первый (12) и второй цилиндры расположены вдоль продольной оси (10) качающегося рычага (1) со сдвигом относительно друг друга, причем ход поршня (13) первого цилиндра (12) больше хода поршня второго цилиндра.

9. Привод по п.8, отличающийся тем, что ось хода (16) первого цилиндра (12) расположена под углом к оси хода второго цилиндра.

10. Привод по п.1, отличающийся тем, что в верхней точке поворота осевого движения, по меньшей мере, одного поршня (13) преодолевается мертвая точка кривошипа (3).

11. Привод по п.1, отличающийся тем, что поршень (13) установлен в двигателе внутреннего сгорания.