Устройство бесшатунного силового механизма поршневой машины Российский патент 2021 года по МПК F01B9/02 F02B75/32 F16C3/12 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к механизмам насосов, компрессоров, поршневых машин, двигателей внутреннего сгорания, а именно, к бесшатунным механизмам преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное (и наоборот).

Известны устройства бесшатунного механизма преобразования движения (С.С. Баландин «Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания» Машиностроение, 1972 г, Стр. 14, Рис. 11а), в котором промежуточное звено АСВ выполнено в виде коленчатого вала, совершающего при работе сложное планетарное движение. В механизм кроме штоков и ползунов с направляющими, также, входят кривошипы, вращающиеся относительно центральной оси двигателя. Механизм включает в себя соединительный вал, который кинематически объединяет кривошипы и обеспечивает синхронность их вращения. У основных звеньев механизма выдерживается равенство характерных линайных размеров между центрами вращения r=S/4, (где S - величина хода поршня).

Недостатком этого варианта механизма является повышенная техническая сложность конструкции, обусловленная наличием соединительного вала с его опорами и синхронизирующих зубчатых колес, требующих высокой точности сопряжений и размерных цепей.

В другом варианте бесшатунного механизма (С.С. Баландин «Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания» Машиностроение, 1972 г, Стр. 14, Рис. 11б) соединительный вал отсутствует, а его роль выполняет корпус двигателя, который обеспечивает синхронизацию кривошипов через зубчатые пары внутреннего зацепления.

Недостатком этого варианта механизма является значительное усложнение проблемы поддержания в эксплуатации постоянства соосности подшипников кривошипов и соединяющихся с ними шеек коленчатого вала. Кроме того, нагруженность коленчатого вала полным крутящим моментом двигателя и ограниченность радиуса начальной окружности шестерен вала (Рис. 11б) величиной r, равной одной четверти полного хода поршней, значительно усложняет создание многоцилиндровых короткоходовых двигателей большой мощности, так как диаметры шеек коленчатого вала этих двигателей получаются по условиям прочности намного больше диаметра начальной окружности шестерен вала.

В варианте бесшатунного механизма со спаренными эксцентриками (С.С. Баландин «Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания» Машиностроение, 1972 г, Стр. 14, Рис. 11в) планетарный вал выполнен в виде спаренных эксцентриков, посаженных на колено коленчатого вала, который по форме, кинематике и нагрузкам аналогичен коленчатым валам ДВС с КШМ, но имеет в два раза меньший радиус кривошипов.

Применение эксцентрикового механизма позволяет заметно уменьшить продольные размеры двигателя, а при цельной конструкции коленчатого вала обеспечивается постоянная соосность эксцентриковых подшипников с цапфами коленчатого вала и их нормальная работа без соединительного вала.

Однако, серьезным недостатком этой схемы является значительное возрастание потребного диаметра эксцентриков и, соответственно, штоковых подшипников при заданном ходе поршней, а вместе с этим скорости скольжения их трущихся поверхностей и отношение диаметров штоковых подшипников к их длине. Поэтому механизм со спаренными эксцентриками до сих пор можно было использовать только в бесшатунных двигателях малой мощности с коротким ходом поршней.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является бесшатунный механизм со спаренными эксцентриками (С.С. Баландин «Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания» Машиностроение, 1972 г, Стр. 14, Рис. 11в).

Задачей изобретения является уменьшение потребного диаметра спаренных эксцентриков бесшатунного механизма, с целью создания возможности применения этого механизма в поршневых машинах с рабочим ходом всего диапазона, практически применяемого в настоящее время.

Задача изобретения решается тем, что шейка колена кривошипа коленчатого вала разделена на две несущие цилиндрические поверхности, которые выведены за пределы участка расположения спаренных эксцентриков и соединены между собой посредством очень прочного пальца меньшего диаметра, механически зафиксированным в теле каждого колена так, чтобы оси полувалов после фиксации пальца совпадали с центральной осью составного коленчатого вал. В этом случае меньший диаметр пальца позволяет пропорционально уменьшить диаметр эксцентриков и, соответственно, скорости скольжения в подшипниках.

Технический результат характеризуется следующими существенными признаками:

1. Шейка колена коленчатого вала разделена на две несущие цилиндрические поверхности, которые с целью уменьшения диаметра эксцентриков соединены между собой по оси шеек посредством пальца меньшего диаметра, причем положение пальца в каждом колене кривошипа механически зафиксировано так, чтобы оси полувалов совпадали с центральной осью составного коленчатого вал.

2. С целью механического фиксирования положения пальца в каждом колене кривошипа так, чтобы оси полувалов совпадали между собой, применены болты с наружной конической поверхностью, которые посажены в конические отверстия на пальце.

3. За счет отведения опорных цилиндрических поверхностей шеек кривошипов за участок расположения эксцентриков, на вновь образованной внешней поверхности промежуточного вала в зоне втулок для подшипников скольжения, с целью уравновешивания оппозитной схемы бесшатунной поршневой машины, размещены противовесы, которые в паре с противовесами на щеках колен кривошипов полувалов имеют возможность уравновешивать другу друга, благодаря способности противоположного вращения.

На Фиг. 1 показана схема бесшатунного механизма со спаренными эксцентриками уменьшенного диаметра.

Бесшатунный силовой механизм поршневой машины включает:

Промежуточный эксцентриковый вал (1), с противовесами (2) (только для оппозитной схемы механизма), полувалы (3) с коленом кривошипа (4) и противовесами (5), палец (6), соединенный с коленами кривошипов (4) полувалов (3), конические болты (7), подшипники скольжения (8), закрепленные в отверстиях торцов промежуточного эксцентрикового вала (1).

На Фиг. 1 механизм изображен в сборе без ползунов со штоками в конфигурации для оппозитной двухцилиндровой бесшатунной поршневой машины. Крестообразная четырех цилиндровая конфигурация отличается отсутствием противовесов (2) на промежуточном эксцентриковом вале (1).

Бесшатунный силовой механизм поршневой машины работает следующим образом (См. Фиг. 1):

На Фиг. 1 бесшатунный силовой механизм показан в положении ВМТ для верхнего цилиндра. Для правильной сборки механизма сначала, например, в колено (4) левого кривошипа полувала (3) с посадкой без зазора вставляется высокопрочный стальной палец (6), так, чтобы ось конусного отверстия в нем совпала с осью отверстия под конусный болт (7). Затем конусный болт (7) вставляется в отверстие и затягивается по резьбе тарировочным ключом. Усилие затяжки подбирается достаточным для углового и продольного центрирования пальца (6) в теле колена (4) кривошипа. Далее, на левую опорную шейку колена (4) кривошипа по оси пальца (6) с плавными угловыми покачиваниями аккуратно заводится левый подшипник скольжения (8) промежуточного эксцентрикового вала (1). После этого правый полувал (3) шейкой колена (4) кривошипа одевается на торец пальца (6) и плавными угловыми покачиваниями заводится в правый подшипник скольжения (8) промежуточного эксцентрикового вала (1) до упора так, чтобы оси левого и правого полувала (3) оставались совпадающими с центральной осью составного вала (используется сборочное приспособление). В завершении сборки правый конусный болт (7) вставляется в отверстие правого колена (4) кривошипа и затягивается по резьбе тарировочным ключом. В процессе затяжки правого конусного болта (7) аналогично левому конусному болту (7) происходит угловое и продольное центрирование пальца (6) относительно центральной оси составного коленчатого вала и по торцам промежуточного вала (1) образуются рабочие зазоры, обеспечивающие нормальную работу механизма. Точность сборки прямо зависит от точности расположения осей конусных отверстий на пальце (6). Они должны пересекать ось пальца и быть параллельными друг другу.

Благодаря тому, что диаметр высокопрочного пальца (6) на участке расположения эксцентриков подбирается равным примерно в три раза меньше диаметра опорной шейки колена (4) кривошипа и его подшипника скольжения (8), потребный диаметр эксцентриков промежуточного вала (1) уменьшается на 40…50% от исходных, что пропорционально уменьшает скорости скольжения в подшипниках и значительно снижает габариты всего эксцентрикового бесшатунного силового механизма. В этом, при наличии ползунов и их направляющих, состоит основное отличие работы предложенного бесшатунного механизма от эксцентрикового бесшатунного механизма прототипа, наиболее близкого по технической сущности (С.С. Баландин «Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания» Машиностроение, 1972 г, Стр. 14, Рис. 11в).

Способы фиксации и обжатия пальца (6) на участках, расположенных в теле опорной шейки колена (4) кривошипа, могут выполняться одним из известных в машиностроении способов - штифты, шпонки, шлицы, равносторонняя огранка, окружность увеличенного диаметра с прессовой посадкой и т.п., но в зоне расположения эксцентриков промежуточного вала (1) палец (6) должен иметь только круглый контур сечения с диаметром примерно в три раза меньше диаметра опорной шейки колена (4) кривошипа. Точное значение диаметра пальца (6) на этом участке определяется прочностным расчетом.

За счет отведения подшипников скольжения (8) и опорных цилиндрических поверхностей шеек колен (4) кривошипа за участок расположения эксцентриков, на вновь образованной внешней поверхности промежуточного вала (1) в зоне втулок подшипников скольжения (8) с целью уравновешивания оппозитной схемы бесшатунной поршневой машины могут быть размещены противовесы (2), которые в паре с противовесами (5) на щеках колен (4) кривошипов полувалов (3) имеют возможность уравновешивать другу друга, благодаря способности противоположного вращения.

Предложенное устройство позволило существенно уменьшить потребный диаметр спаренных эксцентриков бесшатунного механизма (на 40…50% от исходного в прототипе) и создать возможность применения этого механизма в поршневых машинах с рабочим ходом поршней всего диапазона, практически применяемого в настоящее время.

Изобретение может быть использовано в бесшатунных механизмах преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот поршневых машин. Бесшатунный силовой механизм поршневой машины содержит составной коленчатый вал с противовесами на щеках колен и закрепленные на шейках коленчатого вала спаренные эксцентрики. Опорная шейка колена (4) кривошипа составного коленчатого вала разделена на две несущие цилиндрические поверхности, которые отведены за участок их расположения и соединены между собой по оси шеек посредством высокопрочного пальца (6) меньшего диаметра. Концы пальца (6) в теле каждого колена (4) кривошипа механически зафиксированы так, чтобы в собранном состоянии оси левого и правого полувалов (3) совпадали с центральной осью составного коленчатого вала. Технический результат заключается в уменьшении диаметра спаренных эксцентриков бесшатунного механизма. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Бесшатунный силовой механизм поршневой машины, содержащий составной коленчатый вал с противовесами на щеках колен и закрепленные на шейках коленчатого вала спаренные эксцентрики, отличающийся тем, что опорная шейка колена (4) кривошипа составного коленчатого вала разделена на две несущие цилиндрические поверхности, которые с целью уменьшения потребного диаметра эксцентриков отведены за участок их расположения и соединены между собой по оси шеек посредством высокопрочного пальца (6) меньшего диаметра, причем концы пальца (6) в теле каждого колена (4) кривошипа механически зафиксированы одним из известных в машиностроении способов так, чтобы в собранном состоянии оси левого и правого полувалов (3) совпадали с центральной осью составного коленчатого вала.

2. Бесшатунный силовой механизм поршневой машины по п. 1, отличающийся тем, что с целью механической фиксации положения пальца (6) в теле каждого колена (4) кривошипа так, чтобы оси полувалов (3) совпадали с центральной осью составного коленчатого вала, применены болты с конической поверхностью (7), которые посажены в ответные конические отверстия на пальце (6) вблизи его торцов.

3. Бесшатунный силовой механизм поршневой машины по п. 1, отличающийся тем, что за счет отведения опорных цилиндрических поверхностей шеек колен (4) кривошипов за участок расположения эксцентриков, на вновь образованной внешней поверхности промежуточного вала (1) в зоне втулок для подшипников скольжения (8), с целью уравновешивания оппозитной схемы бесшатунной поршневой машины, размещены противовесы (2), которые в паре с противовесами (5) на щеках колен (4) кривошипов полувалов (3) имеют возможность уравновешивать другу друга благодаря способности противоположного вращения.