ШАРНИРНЫЙ УЗЕЛ ПОРШНЕВОЙ МАШИНЫ Российский патент 2016 года по МПК F16J1/16 F02F3/00 F01M1/06 F01P3/06 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к поршневым машинам, преимущественно к двигателям внутреннего сгорания.

Известен поршневой шарнирный узел, содержащий палец, установленный в отверстиях поршня, и шатун с головкой, в которой выполнено отверстие, при этом палец размещен в отверстии головки посредством элементов качения, а в части головки, ближайшей к днищу поршня, выполнены сквозные прорези для прохода к элементам качения смазывающей среды (US 5353759 A, опубл. 11.10.1994).

Недостатком известного узла является отсутствие возможности самоустановки шатуна или пальца относительно поршня в плоскости, перпендикулярной плоскости качания шатуна. Для надежной работы известного узла требуется абсолютная точность соблюдения перпендикулярности продольной оси цилиндра к оси вращения вала. Кроме того, требуется также соблюдение условия параллельности оси кривошипа и оси вращения вала. Известно, что обеспечить абсолютную точность при изготовлении и сборке изделий невозможно и, даже при соблюдении всех условий, в нагруженных механическими и термическими нагрузками машинах происходят деформации корпусов и подвижных элементов, что приводит к повышенным механическим потерям или к заклиниванию механизма.

Известен поршневой шарнирный узел, содержащий шатун со сферической головкой, установленной в ответном сферическом отверстии поршня, при этом на поверхности головки выполнены вырезы для подвода смазки к трущимся поверхностям (см. патент US 4938121 A, опубл. 03.07.1990).

В известном узле решена проблема самоустановки шатуна относительно поршня. Недостатками известного узла являются повышенные механические потери из-за трения скольжения при его работе, а также необходимость подачи смазки под давлением к трущимся поверхностям.

Известен поршневой шарнирный узел, содержащий шатун, соединенный с поршнем посредством карданного шарнира (см. патент US 1427361 А, опубл. 29.08.1922). В известном узле сложное движение в шарнире разделено на два простых в перпендикулярных плоскостях, что позволяет использовать элементы качения, по крайней мере, в плоскости с наибольшей амплитудой качания, а именно в плоскости качания шатуна.

Недостатками известного узла являются повышенные габариты и масса, что является недопустимым при использовании его в быстроходных машинах.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является поршневой шарнирный узел объемной машины, содержащий поршень с установленным в отверстиях поршня поршневым пальцем, шатун с головкой, в которой выполнено отверстие и шарнирная вставка с внешней сферической поверхностью и внутренним цилиндрическим отверстием, установленная внутри отверстия головки шатуна с возможностью углового поворота вставки относительно головки (см. патент US 1491155 A, опубл. 22.04.1924). В известном узле также возможно использование элементов качения в плоскости с наибольшей амплитудой качания.

Недостатками известного узла являются сложность изготовления и сборки за счет разъемного соединения головки шатуна, а также отсутствие конструктивных элементов для обеспечения смазки подвижных пар.

Техническим результатом является повышение надежности работы поршневой машины за счет самоустановки звеньев механизма преобразования с обеспечением подвода смазки к взаимодействующим его поверхностям при минимальных габаритах узла и массе.

Поставленная задача достигается тем, что в шарнирном узле поршневой машины, содержащей поршень с поршневым пальцем, кривошип с кривошипным пальцем и шатун с поршневой и кривошипной головками, в отверстии, по меньшей мере, одной головки шатуна установлена шарнирная вставка с возможностью углового ее поворота относительно головки, при этом, по меньшей мере, поршневой палец или кривошипный палец размещен внутри цилиндрического отверстия вставки посредством элементов качения, согласно изобретению головка шатуна, в которую установлена шарнирная вставка, выполнена неразъемной, поворот вставки относительно отверстия головки шатуна ограничен в плоскости, перпендикулярной направлению перемещения поршня, и в плоскости, перпендикулярной продольной геометрической оси пальца, посредством, по меньшей мере, одного фиксатора, а в части шарнирной вставки, противоположной стержню шатуна при расположении ее в отверстии головки, выполнены сквозные отверстия круглой или щелевой формы и/или торцевые вырезы для прохода к элементам качения и к сферической поверхности вставки охлаждающей и/или смазывающей среды, находящейся в объеме под поршнем.

Поставленная задача достигается также тем, что внутренняя поверхность отверстия головки шатуна может быть выполнена сферической, а вставка своей внешней сферической поверхностью контактирует со сферической поверхностью отверстия головки, либо поверхность отверстия головки шатуна может быть выполнена цилиндрической, шарнирная вставка снабжена наружной обоймой с внутренней сферической поверхностью, контактирующей с внешней сферической поверхностью вставки, при этом наружная поверхность обоймы выполнена цилиндрической и контактирует с внутренней поверхностью отверстия головки, а в части обоймы, противоположной стержню шатуна, выполнены сквозные отверстия круглой или щелевой формы и/или торцевые вырезы.

Поставленная задача достигается также тем, что на сферической поверхности вставки может быть срезан, по меньшей мере, один сегмент с образованием плоской фиксирующей поверхности, параллельной направлению перемещения поршня, а фиксатор выполнен в виде сухаря с плоской поверхностью, контактирующей с фиксирующей поверхностью вставки с возможностью ограничения ее углового поворота относительно головки шатуна в двух плоскостях.

Поставленная задача достигается также тем, что в части головки шатуна, противоположной стержню шатуна, могут быть выполнены сквозные отверстия круглой или щелевой формы и/или торцевые вырезы.

Изобретение поясняется при помощи чертежей.

На фиг. 1 показан продольный разрез поршневого узла поршневой машины, вариант выполнения с дополнительной обоймой;

На фиг. 2 - то же при самоустановке узла;

На фиг. 3 показан вариант выполнения с установкой шарнирной вставки непосредственно в головку шатуна;

На фиг. 4 показана схема сборки узла с дополнительной обоймой;

На фиг. 5 - пример выполнения торцевых вырезов на шарнирной вставке.

Заявленный поршневой шарнирный узел объемной машины содержит поршень 1 с днищем 2 и установленным в отверстиях 3 поршня 1 поршневым пальцем 4, шатун 5 с поршневой головкой 6, в которой выполнено отверстие 7 (фиг. 3), и кривошипной головкой 8 с отверстием 9, в котором размещен палец кривошипного вала (на чертежах не показаны), шарнирную вставку 10 с внешней сферической поверхностью 11 и внутренним цилиндрическим отверстием 12 (фиг. 3), установленную внутри отверстия 7 головки 6 шатуна 5 с возможностью углового поворота относительно головки 6. Палец 4 размещен внутри цилиндрического отверстия 12 вставки 10 посредством элементов качения 13. При этом головка 6 шатуна 5 выполнена неразъемной, поворот вставки 10 относительно отверстия 7 головки 6 шатуна 5 ограничен в плоскости, перпендикулярной направлению 14 перемещения поршня 1, и в плоскости, перпендикулярной продольной геометрической оси 15 пальца 4, посредством фиксатора 16. В части шарнирной вставки 10, противоположной стержню шатуна 5 или, в показанном варианте, ближайшей к днищу 2 поршня 1, выполнены сквозные отверстия 17 круглой или щелевой формы и/или торцевые вырезы 18 для прохода к элементам качения 13 и к сферической поверхности 11 вставки 10 охлаждающей и/или смазывающей среды, находящейся в объеме под поршнем 1.

Внутренняя поверхность отверстия 7 головки 6 шатуна 5 может быть выполнена сферической, а вставка 10 своей внешней сферической поверхностью 11 контактирует со сферической поверхностью отверстия 7 головки 6. Либо внутренняя поверхность отверстия 7 головки 6 шатуна 5 может быть выполнена цилиндрической, шарнирная вставка 10 снабжена наружной обоймой 19 с внутренней сферической поверхностью 20, контактирующей с внешней сферической поверхностью 11 вставки 10. При этом наружная поверхность 21 обоймы 19 выполнена цилиндрической и контактирует с внутренней поверхностью отверстия 7 головки 6, а в части обоймы 19, противоположной стержню шатуна 5 или, в показанном варианте, ближайшей к днищу 2 поршня 1, выполнены сквозные отверстия 22 круглой или щелевой формы и/или торцевые вырезы (на чертежах не показаны) как, например, вырезы 18 на обойме 10.

На сферической поверхности 11 вставки 10 может быть срезан, по меньшей мере, один сегмент с образованием плоской фиксирующей поверхности 23, параллельной направлению 14 перемещения поршня 1, а фиксатор 16 выполнен в виде сухаря с плоской поверхностью 24, контактирующей с фиксирующей поверхностью 23 вставки 10 с возможностью ограничения ее углового поворота относительно головки 6 шатуна 5 в двух плоскостях. При этом сторона фиксатора 16, противоположная плоскости 24, контактирует с опорной поверхностью 25 либо обоймы 19, либо головки 6. Для предотвращения сдвигания фиксатора 16 относительно поверхности 23 во вставке 10 и в фиксаторе 16 могут быть выполнены отверстия 26 и, соответственно, 27, в которые вставлен фиксирующий штифт (на чертежах не показан).

В части головки 6 шатуна 5, ближайшей к днищу 2 поршня 1, также могут быть выполнены сквозные отверстия 28 круглой или щелевой формы и/или торцевые вырезы, как, например, вырезы 18 вставки 10.

В отверстии 9 кривошипной головки 8 шатуна 5 также может быть установлена описанная выше сферическая шарнирная вставка. При этом прорези или вырезы в деталях шарнира и в головке 8 ориентированы так же относительно стержня шатуна 5, как и в описанном выше случае. При этом шарнирные вставки могут быть установлены одновременно в обеих головках шатуна 5.

Описываемый узел в составе поршневой машины на примере поршневого узла работает следующим образом. Возвратно-поступательное перемещение поршня 1 преобразуется посредством шатуна 5 во вращение кривошипного вала (на чертежах не показан). Условием работоспособности плоского кривошипно-шатунного механизма является, в частности, перпендикулярность (в плоскости, перпендикулярной плоскости качания шатуна) геометрической оси цилиндра (на чертежах не показан), в котором перемещается поршень 1, и геометрической оси пальца кривошипа (на чертежах не показан), входящего в отверстие 9 кривошипной головки 8 шатуна 5. Отклонение от указанного условия приводит к значительному повышению механических потерь машины. Кроме геометрического или статического условия работоспособности накладываются дополнительные динамические и термические условия, возникающие в тепловых машинах с повышенными газовыми и инерционными нагрузками в механизме, например в форсированных двигателях внутреннего сгорания. Так, при работе машины деформации механические и термические приводят к нарушению условия перпендикулярности осей. В наибольшей степени указанные явления проявляются в двигателях с одиночными цилиндрами, не объединенными в блок, имеющий повышенную жесткость.

Введение дополнительной степени свободы в поршневой шарнирный узел позволяет снизить требования к точности изготовления и сборки машины, а также повысить надежность работы машины при повышенных нагрузках. При этом узел является высокотехнологичным, например, в качестве сферической пары может использоваться выпускаемый серийно шарнирный подшипник ШС, ШМ или ШСП. Наибольшая степень форсирования может быть достигнута именно в двухтактных поршневых двигателях, в которых нагрузки на шарниры являются однонаправленными. Поэтому вставка 10 и (в варианте выполнения) ее обойма 19 максимально облегчены путем выполнения со стороны, ближайшей к днищу 2 поршня 1, сквозных отверстий 17 и 22 круглой или щелевой формы, через которые к элементам качения 13 и поверхностям скольжения вставки 10 и обоймы 19 поступает смазка в воздушно-капельном виде. В головке 6 шатуна 5 со стороны днища 2 поршня 1 также выполнены отверстия 28 как для облегчения, так и для прохода смазки. Фиксация вставки 10 в двух плоскостях необходима для сохранения заданной ориентации отверстий 17 как с точки зрения обеспечения нагрузочной способности поверхностей вставки 10, так и прохода смазки.

Как показано на фиг. 2 чертежей, отклонение геометрической оси цилиндра и, соответственно, направления 14 перемещения поршня 1 на угол φ от продольной оси шатуна 5, определяемой положением геометрической оси пальца кривошипа (не показаны), не приводит к нарушению работы механизма преобразования машины.

Таким образом, использование заявленного изобретения позволяет повысить надежность работы поршневых машин при повышенных нагрузках и/или сниженных требованиях к точности изготовления деталей машины.

Изобретение может быть использовано в поршневых машинах, преимущественно в двигателях внутреннего сгорания. Шарнирный узел предназначен для поршневой машины, содержащей поршень (1) с поршневым пальцем (4), кривошип с кривошипным пальцем и шатун (5) с поршневой и кривошипной головками (6) и (8). В отверстии (7) или (9) по меньшей мере одной головки (6) или (8) шатуна (5) установлена шарнирная вставка (10) с возможностью ее углового поворота относительно головки (6) или (8). Поршневой палец (4) или кривошипный палец размещен внутри цилиндрического отверстия вставки (10) посредством элементов качения. Головка (6) или (8) шатуна (5), в отверстии которой установлена шарнирная вставка (10), выполнена неразъемной. Поворот вставки (10) относительно отверстия (7) или (9) головки (6) или (8) шатуна (5) ограничен в плоскости, перпендикулярной направлению (14) перемещения поршня (4), и в плоскости, перпендикулярной продольной геометрической оси (15) пальца (4), посредством по меньшей мере одного фиксатора. В части шарнирной вставки (10), противоположной стержню шатуна (5) при расположении ее в отверстии головки, выполнены сквозные отверстия круглой или щелевой формы и/или торцевые вырезы для прохода к элементам качения и к сферической поверхности вставки (10) охлаждающей и/или смазывающей среды, находящейся в объеме под поршнем (4). Технический результат заключается в повышении надежности работы поршневой машины за счет самоустановки звеньев механизма преобразования с обеспечением подвода смазки к взаимодействующим поверхностям. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Шарнирный узел поршневой машины, содержащей поршень с поршневым пальцем, кривошип с кривошипным пальцем и шатун с поршневой и кривошипной головками, в отверстии по меньшей мере одной головки шатуна установлена шарнирная вставка с возможностью углового ее поворота относительно головки, при этом по меньшей мере поршневой палец или кривошипный палец размещен внутри цилиндрического отверстия вставки посредством элементов качения, отличающийся тем, что головка шатуна, в отверстии которой установлена шарнирная вставка, выполнена неразъемной, поворот вставки относительно отверстия головки шатуна ограничен в плоскости, перпендикулярной направлению перемещения поршня, и в плоскости, перпендикулярной продольной геометрической оси пальца, посредством по меньшей мере одного фиксатора, а в части шарнирной вставки, противоположной стержню шатуна при расположении ее в отверстии головки, выполнены сквозные отверстия круглой или щелевой формы и/или торцевые вырезы для прохода к элементам качения и к сферической поверхности вставки охлаждающей и/или смазывающей среды, находящейся в объеме под поршнем.

2. Шарнирный узел по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность отверстия головки шатуна выполнена сферической, а вставка своей внешней сферической поверхностью контактирует со сферической поверхностью отверстия головки.

3. Шарнирный узел по п. 1, отличающийся тем, что поверхность отверстия головки шатуна выполнена цилиндрической, шарнирная вставка снабжена наружной обоймой с внутренней сферической поверхностью, контактирующей с внешней сферической поверхностью вставки, при этом наружная поверхность обоймы выполнена цилиндрической и контактирует с внутренней поверхностью отверстия головки, а в части обоймы, противоположной стержню шатуна, выполнены сквозные отверстия круглой или щелевой формы и/или торцевые вырезы.

4. Шарнирный узел по п. 1, отличающийся тем, что на сферической поверхности вставки срезан по меньшей мере один сегмент с образованием плоской фиксирующей поверхности, параллельной направлению перемещения поршня, а фиксатор выполнен в виде сухаря с плоской поверхностью, контактирующей с фиксирующей поверхностью вставки с возможностью ограничения ее углового поворота относительно головки шатуна в двух плоскостях.

5. Шарнирный узел по п. 1, отличающийся тем, что в части головки шатуна, противоположной стержню шатуна, выполнены сквозные отверстия круглой или щелевой формы и/или торцевые вырезы.