МНОГОПОРШНЕВОЙ РЫЧАЖНЫЙ МЕХАНИЗМ Российский патент 2021 года по МПК F16H21/16 

Изобретение относится к рычажным механизмам поршневых машин с механическими устройствами преобразования движений из возвратно-поступательных во вращательные и наоборот, которые могут найти применение в разных областях машиностроения в качества многоцилиндровых поршневых двигателей, компрессоров и дизель-генераторов.

Известен рычажный механизм поршневого двигателя для мобильных машин, содержащий корпус, шатуны и коленвал, вдоль длины которого по одну сторону установлены ряды отдельных поршней, соединенных с коленвалом посредством основных и прицепных к ним шатунов, выполненных в виде шарнирных треугольников с установкой на каждом из этих шатунов только по одному поршню (книга Крайнев А.Ф. «Словарь-справочник по механизмам» - Москва: Машиностроение, 1987, схемы узлов двигателя на с. 39 и на с. 532) - аналог.

Недостатками известного рычажного поршневого механизма являются сложность конструкции, изготовления и сборки двух типов сложных составных шатунов, большие осевые габариты двигателя (из-за коленвала длиной 1,5 метра), сложная система смазки прицепных шатунов и вибрация корпуса из-за динамической неуравновешенности шатунов и поршней от переменных сил инерции, возникающих при их неравномерном движении.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению, является многопоршневой рычажный механизм многоцилиндрового поршневого двигателя, содержащий корпус с установленным в нем механическим преобразующим устройством для преобразования посредством шатунов возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение ведомого кривошипа и связанного с ним выходного вала двигателя, в котором механическое преобразующее устройство выполнено в виде расположенного вдоль корпуса двигателя длинного коленвала с последовательной порядовой установкой на каждый из шатунов только по одному поршню и только по одну сторону от центральной оси вращения коленвала (книга А.Ф. Крайнев «Механика машин. Фундаментальный словарь» - Москва: Машиностроение, 2000. 904 с., схемы механического преобразующего устройства многоцилиндрового поршневого двигателя/схема а) на с. 69 и схемы а), б) на с. 440) - прототип.

Недостатками указанного многопоршневого рычажного механизма многоцилиндрового двигателя являются:

1. Сложная конструкция из-за применения трудоемких в изготовлении и сборке узлов коленвала сложной изогнутой формы (который изготовляется из цельной заготовки длиной более 1 метра) и узлов составных шатунов сложной формы переменного сечения.

2. Большие осевые габариты коленвала (1,5 метра вдоль оси) увеличивают его вес и ограничивают области его применения в машинах.

3. Односторонняя установка всех неуравновешенных поршней и шатунов только по одному поршню на каждый из шатунов приводит к большим динамическим нагрузкам на опорные подшипники скольжения и корпус двигателя, для снижения воздействия которых на вибрацию всей машины (например, автомобиля) в двигатель устанавливают разных виброзащитные устройства (это массивные противовесы на каждой шейке коленвала и очень сложная система виброзащиты корпуса двигателя на основе зубчатых колес с вращающимися неуравновешенными грузами).

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в упрощении конструкции и сборки узлов многопоршневого рычажного механизма за счет его выполнения без коленвала на основе простых шатунов, уменьшения его осевых габаритов и снижения динамических нагрузок на корпус за счет симметричной попарной установки на поворотном кривошипе всех шатунов простой цельной формы и одинакового размера вместе с симметричной относительно оси выходного вала установкой всех поршней.

Получение технического результата достигается за счет того, что преобразующее устройство многопоршневого рычажного механизма выполнено в виде сборки шатунно-поршневой группы звеньев с поворотным кривошипом, в которой шатуны и поворотный кривошип выполнены в виде одинаковых по взаиморасположению шарниров трехшарнирных звеньев с одинаковым расположением всех трех шарниров на одной прямой линии и на равных расстояниях двух конечных шарниров от центрального шарнира, на каждой шатуне через его конечные шарниры и симметрично относительно центрального шарнира этого шатуна установлены два поршня со взаимно-перпендикулярными между собой осями, центральный шарнир каждого из шатунов кинематически связан с конечным шарниром поворотного кривошипа, а центральный шарнир поворотного кривошипа кинематически связан с корпусом механизма.

Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5.

На фиг. 1 представлен общий вид многопоршневого рычажного механизма преобразующего устройства четырехцилиндрового поршневого двигателя в двух проекциях - профильной и фасной. Предлагаемая на фиг. 1 конструкция содержит корпус 1 с установленным в нем механическим преобразующим устройством для привода выходного вала 2 двигателя, которое выполнено в виде сборки шатунно-поршневой группы звеньев с ведомым кривошипом 3, в которой шатуны 4, 5 и поворотный кривошип 3 выполнены в виде одинаковых по взаиморасположению шарниров трехшарнирных звеньев с одинаковым расположением всех трех шарниров на одной прямой линии (на рис. 1, а): это линия АСВ - для конечных шарниров А, В и центрального шарнира С поворотного кривошипа 3; это линия O₁AO₂ - для конечных шарниров О₁, O₂ и центрального шарнира А шатуна 4 и это линия O₃BO₄ - для конечных шарниров О₃, О₄ и центрального шарнира В шатуна 5) и на равных расстояниях двух конечных шарниров (соответственно А и В, О₁ и O₂, O₃ и О₄) от центральных шарниров (поворотного кривошипа 3, шатуна 4 и шатуна 5) согласно следующим равенствам:

где АВ - расстояние между конечными шарнирами А и В поворотного кривошипа 3;

О₁О₂ - расстояние между конечными шарнирами О₁ и О₂ шатуна 4;

О₃О₄ - расстояние между конечными шарнирами О₃ и О₄ шатуна 5 (рис. 1, б).

На каждом из шатунов 4 и 5 обозначены их конечные и центральный шарниры (для шатуна 4 - это конечные шарниры О₁,О₂ и центральный шарнир А; для шатуна 5 - это конечные шарниры O₃, O₄ и центральный шарнир В). На шатуне 4 через его конечные шарниры O₁ и O₂ симметрично относительно его центрального шарнира А установлены два поршня 6 и 7. На шатуне 5 через его конечные шарниры O₃ и O₄ симметрично относительно его центрального шарнира В установлены другие два поршня 8 и 9. Каждая пара поршней 6, 7 и 8, 9 установлена в корпусе 1 поршневого двигателя со взаимно перпендикулярными между собой осями поступательного движения поршней, шарнирно закрепленных на данном шатуне.

На фиг. 2 представлен вариант выполнения многопоршневого рычажного механизма восьмицилиндрового поршневого двигателя, в котором преобразующее устройства сблокировано из двух одинаковых соосно расположенных между собой шатунно-поршневых групп установленных в корпусе 1 звеньев 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 и 21, каждая из которых содержит по 4 поршня и составлена из двух перпендикулярно расположенными между собой поршнями, смонтированными между собой симметрично оси вращения поворотного кривошипа 22. Вал поворотного кривошипа 22 кинематически связан с выходным валом двигателя 23 через промежуточную зубчатую передачу 24, а вал двигателя 23 смещен относительно вала кривошипа 22.

На фиг. 3 представлен вариант выполнения многопоршневого рычажного механизма, в котором шатунно-поршневая группа звеньев содержит приводной поворотный кривошип 25 и шарнирно установленные на нем два симметричный шатуна 26 и 27 с четыремя противоположно установленными между собой взаимно-перпендикулярными ползунами 28, 29 и 30, 31, два из которых 28 и 29 сблокированы с двумя пуансонами, а другие два ползуна 30 и 31 сблокированы с подпружиненными клиновыми механизмами 32 и 33 удаления готовых изделий 34 и образуют двухползунный пресс-автомат для прессования изделий, установленных во взаимно перпендикулярных между собой позициях.

На фиг. 4 представлен вариант выполнения многопоршневого рычажного механизма, в котором шатунно-поршневая группа звеньев содержит приводной поворотный кривошип 35 и составлена из четырех перпендикулярно расположенных поршней 36, 37, 38 и 39, которые снабжены упругими зажимными элементами 40 и образуют четырехпозиционное зажимное устройство с попеременным попарным зажимом и освобождением изделий 41, 42 и 43, 44, расположенных внутри корпуса 45 многопоршневого рычажного механизма.

На фиг. 5 представлен вариант выполнения многопоршневого рычажного механизма с шатунно-поршневой группой звеньев, в которой каждый поршень, например, 46 сблокирован со сдвоенным ползунно-коромысловым шарнирным зажимным устройством (в котором зажимные элементы 47 или 48 могут быть соединены с промежуточным шатуном 49 или с ведомым коромыслом 50), образующим многопозиционный схват манипулятора с фиксацией подвижных объектов 51 и 52 в рабочем пространстве манипулятора за пределами корпуса 53 многопоршневого рычажного механизма.

Работа представленного многопоршневого рычажного механизма заключается в следующем.

При работе механизма выполнение в его каждой шатунно-поршневой группе преобразующего устройства симметричной противоположной установки по 2 поршня на каждый отдельный шатун обеспечивает центр тяжести шатуна на его оси вращения, что исключает вибрацию корпуса из-за воздействия сил инерции и снижает нагруженность подшипников.

Достигаемый в предлагаемом многопоршневом рычажном механизме положительный эффект заключается в следующем:

1. Упрощение конструкции и уменьшение осевых габаритов преобразующего устройства поршневых машин-двигателей за счет его выполнения без крупногабаритного и трудоемкого в изготовлении длинного коленвала с тяжелыми массивными противовесами.

2. Уменьшение вредных динамических вибрационных нагрузок от сил инерций шатунов и поршней на опорные подшипники скольжения за счет симметричной противоположной установки по 2 поршня на каждый из отдельных шатунов двигателя.

3. Снижение трудоемкости изготовления и сборки за счет выполнения шатунов простой симметричной формы и цельной конструкции.

Изобретение относится к рычажным механизмам. Многопоршневой рычажный механизм содержит корпус с установленным в нем механическим преобразующим устройством, выполненным в виде сборки шатунно-поршневой группы звеньев, в которой шатуны и поворотный кривошип выполнены в виде одинаковых трехшарнирных звеньев с симметричной противоположной установкой на каждом шатуне двух поршней с взаимно-перпендикулярными осями своего поступательного движения. Обеспечивается упрощение конструкции устройства, уменьшение осевых габаритов многоцилиндровых поршневых двигателей и снижение динамических нагрузок на опорные подшипники и корпус поршневой машины. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Многопоршневой рычажный механизм, преимущественно многоцилиндрового поршневого двигателя, содержащий корпус с установленным в нем механическим преобразующим устройством для преобразования посредством шатунов возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение ведомого кривошипа и связанного с ним выходного вала, отличающийся тем, что механическое преобразующее устройство выполнено в виде сборки шатунно-поршневой группы звеньев с поворотным кривошипом, в которой шатуны и поворотный кривошип выполнены в виде одинаковых по взаиморасположению шарниров трехшарнирных звеньев с одинаковым расположением всех трех шарниров на одной прямой линии и на равных расстояниях двух конечных шарниров от центрального шарнира, на каждом шатуне через его конечные шарниры и симметрично относительно центрального шарнира этого шатуна установлены два поршня со взаимно-перпендикулярными между собой осями, центральный шарнир каждого из шатунов кинематически связан с конечным шарниром поворотного кривошипа, а центральный шарнир поворотного кривошипа кинематически связан с корпусом механизма.

2. Многопоршневой рычажный механизм по п. 1, отличающийся тем, что шатунно-поршневая группа звеньев механического преобразующего устройства составлена из симметрично установленных на поворотном кривошипе двух одинаковых шатунов с попарно установленными на них в параллельных плоскостях четырьмя перпендикулярно расположенными между собой поршнями и образует симметричный относительно оси вращения поворотного кривошипа четырехцилиндровый поршневой двигатель, а поворотный кривошип сблокирован с выходным валом поршневого двигателя.

3. Многопоршневой рычажный механизм по п. 1, отличающийся тем, что механическое преобразующее устройство сблокировано из двух одинаковых соосно расположенных между собой в корпусе шатунно-поршневых групп звеньев, каждая из которых составлена из двух шатунов с установленными на каждом из них двумя перпендикулярно расположенными между собой поршнями, а вал поворотного кривошипа кинематически связан с выходным валом двигателя через промежуточную зубчатую передачу и образует восьмицилиндровый поршневой двигатель смещенной относительно оси поворотного кривошипа осью вращения выходного вала.

4. Многопоршневой рычажный механизм по п. 2, отличающийся тем, что шатунно-поршневая группа звеньев содержит приводной поворотный кривошип и шарнирно установленные на нем два симметричных шатуна с четырьмя противоположно установленными между собой взаимно-перпендикулярными поршнями, два из которых сблокированы с двумя пуансонами, а другие два поршня сблокированы с подпружиненными клиновыми механизмами удаления готовых изделий и образуют двухползунный пресс-автомат для прессования изделий, установленных во взаимно-перпендикулярных между собой позициях.

5. Многопоршневой рычажный механизм по п. 2, отличающийся тем, что шатунно-поршневая группа звеньев содержит приводной поворотный кривошип и составлена из четырех перпендикулярно расположенных поршней, которые снабжены упругими зажимными элементами и образуют четырехпозиционное зажимное устройство с попеременным попарным зажимом и освобождением изделий, расположенных на одной прямой внутри корпуса механизма.

6. Многопоршневой рычажный механизм по п. 2, отличающийся тем, что каждый поршень сблокирован со сдвоенным ползунно-коромысловым шарнирным зажимным устройством с зажимными элементами, образующим многопозиционный схват манипулятора с фиксацией подвижных объектов в рабочем пространстве манипулятора за пределами корпуса многопоршневого рычажного механизма.