Шатунно-поршневая группа Российский патент 2024 года по МПК F16J1/22 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно, к узлам поршневых машин, в частности, двигателей внутреннего сгорания.

Известна шатунно-поршневая группа, содержащая установленный в цилиндре поршень, в отверстии которого шарнирно установлен опорный палец, шарнирно связанный со скрещивающимся пальцем, связанным шарнирно с шатуном, при этом пальцы образуют универсальный шарнир со скрещивающимися осями (см. US5649509A, опубл. 22.07.1997).

Недостатком известной группы является смещение линии действия силы опоры шатуна от оси поршневого пальца, что приводит к возникновению крутящего момента, перекашивающего поршень относительно оси цилиндра. Наличие зазоров в паре цилиндр-поршень и, дополнительно, в паре поршневой палец-серьга кардана, приводит к возникновению колебаний поршня в плоскости качания шатуна и увеличению вероятности задиров внешней поверхности поршня.

Известна шатунно-поршневая группа, содержащая установленный в цилиндре поршень, в отверстии которого шарнирно установлен опорный палец, шарнирно связанный с пересекающимся пальцем, связанным шарнирно с шатуном, при этом пальцы образуют универсальный шарнир с пересекающимися осями (см. US1588137A, опубл. 08.06.1926).

Недостатком известной группы является отсутствие универсальности в части использования шатунов различной конструкции. Известный шарнир позволяет использовать только двухопорные шатуны, например, с вильчатой верхней головкой, или двойные шатуны. Кроме того, усложняется сборка элементов известной группы, так как требуется либо использование шатунов с разъемными верхними головками, либо увеличение длины шатунного пальца (и расстояния между головками) при использовании неразъемных головок, что ухудшает также жесткость и прочность шарнирного узла.

Известна шатунно-поршневая группа, содержащая установленный в цилиндре поршень, в отверстии которого шарнирно установлен опорный палец, в котором выполнено поперечное отверстие, пересекающее продольную ось опорного пальца, а в поперечном отверстии опорного пальца установлен поршневой палец, имеющий поверхность шарнирной опоры, взаимодействующую с ответной поверхностью шарнирной опоры шатуна (см. US1427361A, опубл. 29.08.1922),

В известной группе сила реакции шатуна (боковая сила) передается на опорный палец, опирающийся своей торцевой поверхностью на внутреннюю поверхность цилиндра. Недостатком известной группы является отсутствие средств, позволяющих «выбрать» зазор между торцевой поверхностью опорного пальца и внутренней поверхностью цилиндра и, соответственно, отрегулировать указанный зазор. Отсутствие указанных средств регулирования зазора приведет к возникновению ударных нагрузок при перекладке поршня и ускоренному износу поршневой машины.

Технической проблемой является устранение указанных недостатков.

Техническим результатом является повышение надежности и ресурса шатунно-поршневой группы поршневой машины за счет обеспечения требуемого зазора между взаимодействующими элементами группы при устранении перекоса поршня относительно внутренней поверхности цилиндра за счет использования универсального шарнира в соединении шатуна с поршнем, а также повышение универсальности в части возможности использования различных конструкций шатунов (одинарных, двойных, вильчатых) в соединении с универсальным шарниром группы.

Техническая проблема решается, и технический результат достигается тем, что шатунно-поршневая группа содержит установленный в цилиндре поршень, в отверстии которого шарнирно установлен опорный палец, в котором выполнено поперечное отверстие, пересекающее продольную ось опорного пальца, а в поперечном отверстии опорного пальца установлен поршневой палец, имеющий поверхность шарнирной опоры, взаимодействующую с ответной поверхностью шарнирной опоры шатуна, при этом, согласно изобретению, опорный палец снабжен упорными поверхностями, выполненными на его противоположных сторонах, и установлен в отверстии поршня с возможностью передачи силового воздействия от шарнирной опоры поршневого пальца к внутренней поверхности цилиндра посредством упорных поверхностей.

Технический результат достигается тем, что группа может быть снабжена опорными антифрикционными элементами, установленными между упорными поверхностями опорного пальца и внутренней поверхностью цилиндра.

Технический результат достигается тем, что опорный антифрикционный элемент может быть выполнен в виде диска, установленного в отверстии поршня соосно с опорными пальцем, при этом одна торцевая поверхность диска выполнена плоской, с возможностью ее взаимодействия с упорной поверхностью опорного пальца, а противоположная торцевая поверхность диска выполнена цилиндрической, с возможностью ее контактирования с внутренней поверхностью цилиндра.

Технический результат достигается тем, что опорный антифрикционный элемент может быть выполнен в виде сегмента цилиндра, поперечные размеры которого превышают диаметр опорного пальца, при этом цилиндрическая поверхность сегмента выполнена с возможностью ее контактирования с внутренней поверхностью цилиндра, а противоположная его поверхность выполнена с возможностью взаимодействия с упорной поверхностью опорного пальца.

Технический результат достигается тем, что группа может быть снабжена регулировочными прокладками, установленными между упорной поверхностью опорного пальца и опорным антифрикционным элементом.

Технический результат достигается тем, что поршневой палец может иметь дополнительную поверхность шарнирной опоры, при этом его указанные поверхности расположены симметрично относительно средней поперечной плоскости пальца.

Изобретение поясняется при помощи чертежей:

Фиг. 1 – разрез вдоль опорного пальца шатунно-поршневой группы, вариант с одним шатуном.

Фиг. 2 – то же, разрез вдоль поршневого пальца.

Фиг. 3 – разрез вдоль опорного пальца шатунно-поршневой группы, вариант с двумя шатунами.

Фиг. 4 – то же, разрез вдоль поршневого пальца.

Описываемая шатунно-поршневая группа содержит установленный в цилиндре (на чертежах не показан) поршень 1, в отверстии которого шарнирно установлен опорный палец 2, в котором выполнено поперечное отверстие, пересекающее продольную ось 3 опорного пальца 2, в котором установлен поршневой палец 4, имеющий поверхность 5 шарнирной опоры, взаимодействующую с ответной поверхностью 6 шарнирной опоры шатуна 7. При этом опорный палец 2 снабжен упорными поверхностями 8, выполненными на его противоположных сторонах, и установлен в отверстии поршня 1 с возможностью передачи силового воздействия от шарнирной опоры поршневого пальца 4 к внутренней поверхности цилиндра посредством упорных поверхностей 8. Передача воздействия может осуществляться непосредственно поверхностями 8, контактирующими с внутренней поверхностью цилиндра. В этом случае поверхность 8 должна быть выполнена цилиндрической с радиусом, соответствующим радиусу цилиндра.

Либо передача воздействия осуществляется через промежуточные опорные антифрикционные элементы 9, установленные между упорными поверхностями 8 опорного пальца 2 и внутренней поверхностью цилиндра. В этом случае ориентация внешних опорных поверхностей элементов 9 не зависит от углового положения опорного пальца 2, качающегося в отверстии поршня 1 в процессе самоустановки поршня 1 в цилиндре.

Опорный антифрикционный элемент 9 может быть выполнен в виде диска, установленного в отверстии поршня 1 соосно с опорными пальцем 2. При этом одна торцевая поверхность диска выполнена плоской, с возможностью ее взаимодействия с упорной поверхностью 8 опорного пальца 2, а противоположная торцевая поверхность диска выполнена цилиндрической, с возможностью ее контактирования с внутренней поверхностью цилиндра. При таком выполнении антифрикционного элемента 9 он может быть снабжен фиксатором 10, препятствующим повороту элемента 9 в отверстии поршня 1.

Опорный антифрикционный элемент 9 может быть также выполнен в виде сегмента цилиндра (на чертежах не показан), поперечные размеры которого превышают диаметр опорного пальца 2. При этом цилиндрическая поверхность сегмента выполнена с возможностью ее контактирования с внутренней поверхностью цилиндра, а противоположная его поверхность выполнена с возможностью взаимодействия с упорной поверхностью 8 опорного пальца 2.

Между упорной поверхностью 8 опорного пальца 2 и опорным антифрикционным элементом 9 могут быть установлены регулировочные прокладки (на чертежах не показаны).

Поршневой палец 4 может иметь дополнительную поверхность 5 шарнирной опоры. При этом указанные поверхности 5 расположены симметрично относительно средней поперечной плоскости пальца 4 (см. фиг.4).

Поршень 1 может быть снабжен сегментными заглушками 11, необходимыми при использовании группы в двухтактном двигателе для предотвращения сообщения выпускных окон цилиндра с подпоршневой полостью. Заглушки 11 могут подпираться к поверхности цилиндра подпружиненными упорами 12, расположенными в отверстии поршневого пальца 4.

Описываемый узел в составе поршневой машины на примере поршневого узла работает следующим образом. Возвратно-поступательное перемещение поршня 1 преобразуется посредством шатуна 7 во вращение кривошипного вала (на чертежах не показан). Условием работоспособности плоского кривошипно-шатунного механизма является, в частности, перпендикулярность (в плоскости, перпендикулярной плоскости качания шатуна 7) геометрической продольной оси цилиндра и оси вращения кривошипа (на чертежах не показан). Отклонение от перпендикуляра приводит к значительному повышению механических потерь машины. Кроме геометрического или статического условия работоспособности (определяемого точностью изготовления), 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, механические и термические деформации приводят к нарушению условия перпендикулярности осей. В наибольшей степени указанные явления проявляются в двигателях с одиночными цилиндрами, не обладающими повышенной жесткостью по сравнению с цилиндрами, объединенными в блок.

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. Дополнительная степень свободы достигается за счет использования универсального шарнира в соединении шатуна 7 с поршнем 1. Универсальный шарнир выполнен в виде пересекающихся и установленных один в другом пальцев 2 и 4. Так, поршневой палец 4 установлен в отверстии опорного пальца 2.

Боковая сила реакции от верхней головки шатуна 7 передается через поверхности 5 и 6 шарнирной опоры поршневому пальцу 4, далее – опорному пальцу 2, опирающемуся своей торцевой поверхностью 8, например, через антифрикционный элемент 9, на внутреннюю поверхность цилиндра. При этом сила действует вдоль продольной оси 3 пальца 2 почти без смещения, поэтому отсутствует момент, перекашивающий поршень 1. По-существу, опорный палец 2 является тронком поршня 1. Использование антифрикционного элемента 9 позволяет подобрать материал для его изготовления с требуемыми свойствами, а использование элемента 9 в форме сегмента цилиндра позволяет оптимизировать опорную высоту тронка и отказаться от фиксатора 10. Кроме того, использование элемента 9 позволяет повысить точность обеспечения зазора между тронком и цилиндром. Для той же цели используют и регулировочные прокладки.

Таким образом, использование заявленного технического решения позволяет повысить надежность и ресурс шатунно-поршневой группы поршневой машины за счет обеспечения требуемого зазора между взаимодействующими элементами группы при устранении перекоса поршня относительно внутренней поверхности цилиндра за счет использования универсального шарнира в соединении шатуна с поршнем. Кроме того, обеспечивается универсальность в части возможности использования различных конструкций шатунов (одинарных, двойных, вильчатых) в соединении с универсальным шарниром.

Изобретение может быть использовано в узлах поршневых машин, в частности двигателей внутреннего сгорания. Шатунно-поршневая группа содержит установленный в цилиндре поршень (1), в отверстии которого шарнирно установлен опорный палец (2). В опорном пальце (2) выполнено поперечное отверстие, пересекающее продольную ось (3) опорного пальца. В поперечном отверстии опорного пальца (2) установлен поршневой палец (4), имеющий поверхность шарнирной опоры. Поверхность шарнирной опоры взаимодействует с ответной поверхностью шарнирной опоры шатуна (7). Опорный палец (2) снабжен упорными поверхностями (8), выполненными на его противоположных сторонах. Опорный палец (2) установлен в отверстии поршня (1) с возможностью передачи силового воздействия от шарнирной опоры поршневого пальца (4) к внутренней поверхности цилиндра посредством упорных поверхностей. Технический результат заключается в повышении надежности и ресурса шатунно-поршневой группы поршневой машины. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Шатунно-поршневая группа, содержащая установленный в цилиндре поршень, в отверстии которого шарнирно установлен опорный палец, в котором выполнено поперечное отверстие, пересекающее продольную ось опорного пальца, а в поперечном отверстии опорного пальца установлен поршневой палец, имеющий поверхность шарнирной опоры, взаимодействующую с ответной поверхностью шарнирной опоры шатуна, отличающаяся тем, что опорный палец снабжен упорными поверхностями, выполненными на его противоположных сторонах, и установлен в отверстии поршня с возможностью передачи силового воздействия от шарнирной опоры поршневого пальца к внутренней поверхности цилиндра посредством упорных поверхностей.

2. Группа по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена опорными антифрикционными элементами, установленными между упорными поверхностями опорного пальца и внутренней поверхностью цилиндра.

3. Группа по п. 2, отличающаяся тем, что опорный антифрикционный элемент выполнен в виде диска, установленного в отверстии поршня соосно с опорными пальцем, при этом одна торцевая поверхность диска выполнена плоской, с возможностью ее взаимодействия с упорной поверхностью опорного пальца, а противоположная торцевая поверхность диска выполнена цилиндрической, с возможностью ее контактирования с внутренней поверхностью цилиндра.

4. Группа по п. 2, отличающаяся тем, что опорный антифрикционный элемент выполнен в виде сегмента цилиндра, поперечные размеры которого превышают диаметр опорного пальца, при этом цилиндрическая поверхность сегмента выполнена с возможностью ее контактирования с внутренней поверхностью цилиндра, а противоположная его поверхность выполнена с возможностью взаимодействия с упорной поверхностью опорного пальца.

5. Группа по любому из пп. 2-4, отличающаяся тем, что она снабжена регулировочными прокладками, установленными между упорной поверхностью опорного пальца и опорным антифрикционным элементом.

6. Группа по п. 1, отличающаяся тем, что поршневой палец имеет дополнительную поверхность шарнирной опоры, при этом его указанные поверхности расположены симметрично относительно средней поперечной плоскости пальца.