Кривошипно-ползунный механизм

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению. Технический результат заключается в возможности повышения эффективности работы двигателя внутреннего сгорания. Согласно изобретению кривошипно-ползунный механизм содержит основные кривошипы с центральными выводными валами, соединительный вал с шестернями, дополнительный четырехколенный вал, плечи дополнительного коленчатого вала, находящиеся под углом к осям его радиусов, цилиндры и поршни. Шестерни соединительного вала фиксируют относительное положение основных кривошипов друг относительно друга через шестерни наружного зацепления. Концевые шейки дополнительного четырехколенного вала выполнены с возможностью передвижения по кругу при равенстве радиусов основного кривошипа и дополнительного четырехколенного вала. Угол ϕ между осями радиусов и осями плеч дополнительного четырехколенного вала определен неравенствами 0≤ϕ<45° и 45<ϕ≤180°, в соответствии с чем траектории движения осей шеек плечей могут иметь форму либо эллипса, либо прямой, полученной сужением эллипса вдоль его большой оси. При этом оси цилиндров расположены на продолжении больших осей эллипсов или на продолжении указанных прямых. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Настоящее изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано для увеличения крутящего момента двигателей внутреннего сгорания, имеющих кривошипно-ползунные механизмы.

В современных двигателях внутреннего сгорания широко применяется на протяжении многих лет известный кривошипно-шатунный механизм (см. фиг.1,2,3), обладающий следующими недостатками:

1. Наличие верхней мертвой точки (см. фиг.1).

2. При возникновении максимальной силы от сгорания топливовоздушной смеси плечо ОС для передачи этой максимальной силы является небольшим (см. фиг.2), т.е. для совершения полезной работы от действия этой максимальной силы используется небольшая ее доля, а большая доля этой максимальной силы нагружает как шатунные, так и коренные подшипники коленчатого вала, что приводит к большим удельным нагрузкам в парах трения.

3. Наличие боковой силы N, прижимающей поршень к стенке цилиндра (см. фиг.3).

Наиболее близким является известный кривошипно-ползунный механизм (см. фиг.4а, 4б), применение которого позволит увеличить эффективность работы двигателя внутреннего сгорания за счет передачи максимальной силы, возникающей от сгорания топливовоздушной смеси, через большое плечо (см. Патент на изобретение №2163680 с датой приоритета от 23.07.1998 г.).

Известный кривошипно-ползунный механизм содержит основные кривошипы 3 (см. фиг.4а, 4б) с центральными выводными валами 4 (см. фиг.4б), соединительный вал 7 (см. фиг.4б) с шестернями 8, фиксирующими относительное положение основных кривошипов 3 друг относительно друга через шестерни 9 (см. фиг.4а, 4б) наружного зацепления, дополнительный четырехколенный вал 2, концевые шейки (шейки А) которого выполнены с возможностью передвижения по кругу при равенстве радиусов ОА основного кривошипа 3 и радиусов АВу, АВх дополнительного четырехколенного вала 2, плечи ВуСу и ВхСх, оси которых повернуты на угол ϕ, равный 45 градусам от вертикальной оси против часовой стрелки, а шатуны 1 сочленены с поршнями 13, 14 через шейки Dy, Dx и с плечами ВуСу, ВхСх через шейки Су и Сх.

Недостатком известного кривошипно-ползунного механизма (см. фиг.4а, 4б) является то, что оси цилиндров расположены по осям ОУ и ОХ, что приводит к увеличению угла β (угла отклонения шатунов 1 от осей цилиндров) в момент расположения поршней в верхних мертвых точках, в результате чего происходит увеличение боковой силы N, прижимающей поршни к стенкам цилиндров.

Основная задача предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности работы двигателя внутреннего сгорания путем увеличения максимального крутящего момента двигателя, за счет передачи максимальной силы, возникающей от сгорания топливовоздушной смеси через большое плечо.

Другой задачей предлагаемого изобретения является уменьшение боковой силы N, прижимающей поршни 13 и 14 к стенкам цилиндров, например, в случае расположения осей цилиндров на продолжении больших осей 11 эллипсов 10 - траекторий движения осей шеек Су и Сх (см. фиг.6), а в случаях, например, когда угол ϕ=120 градусам, а длины плеч ВуСу, ВхСх равны АВу, АВх, умноженному на 1,0, т. е. когда оси шеек Су и Сх могут совершать движение по прямым линиям 11, совпадающим с осями цилиндров (см. фиг.5), т.е. траектории движения осей шеек Су и Сх в виде эллипсов 10 (см. фиг.6) могут сжиматься относительно своих больших осей 11 в прямые линии (см. фиг.5), в тех случаях, когда выполняется зависимость угла ϕ (угла отклонения осей плеч ВуСу, ВхСх от осей радиусов АВу, АВх) от коэффициента Q, который выражает отношения длин плеч ВуСу, ВхСх к длинам радиусов АВу, АВх, т.е. , или . Зависимость Q от ϕ имеет вид: и, наоборот, зависимость ϕ от Q имеет вид: . Сила N, прижимающая поршни 13, 13' и 14, 14' (см. фиг.5) будет зависеть только от сил трения в подшипниках между шейками Су, Сх и штоками 12.

Поставленные задачи достигаются тем, что кривошипно-ползунный механизм, содержащий основные кривошипы с центральными выводными валами, соединительный вал с шестернями, фиксирующими относительное положение основных кривошипов друг относительно друга через шестерни, дополнительный четырехколенный вал, концевые шейки которого выполнены с возможностью передвижения по кругу при равенстве радиусов основного кривошипа и дополнительного четырехколенного вала, плечи ВуСу, ВхСх дополнительного четырехколенного вала, оси которых повернуты от вертикальной оси на 45 градусов против часовой стрелки, а шатуны, сочлененные с поршнями, сочленены с плечами ВуСу и ВхСх через шейки Су и Сх, согласно изобретению угол ϕ между осями радиусов АВу, АВх и осями плеч ВуСу, ВхСх определен неравенствами 0≤ϕ<45° и 45<ϕ≤180°, а шатуны 1 (см. фиг.6) либо штоки 12 (см. фиг.5), сочлененные либо жестко соединенные с поршнями, сочленены с плечами ВуСу и ВхСх через шейки Су и Сх, траектория движения осей которых имеет форму, изменяющуюся от эллипса 10 (см. фиг.6) до прямой 11 (см. фиг.5), полученной сужением эллипса вдоль его большой оси, при условии, когда выполняется следующая зависимость: или , например (см. фиг.5), когда ϕ=120 градусам, a Q=1, т.е. ВуСу=АВу×1,0, т.к. , а оси цилиндров расположены на продолжении больших осей 11 указанных эллипсов 10 (см. фиг.6) или на продолжении указанных прямых 11 (см. фиг.5).

По отношению к прототипу у предлагаемых устройств имеются следующие отличительные признаки:

1. Угол ϕ между осями радиусов АВу, АВх и осями плеч ВуСу, ВхСх дополнительного четырехколенного вала 2 определен неравенствами 0≤ϕ<45° и 45<ϕ≤180°.

2. Траектории движения осей шеек Су и Сх имеют форму, изменяющуюся от эллипса до прямой, полученной сужением эллипса вдоль его большой оси, при условиях, когда или .

3. Оси цилиндров расположены на продолжении больших осей эллипсов 10 (см. фиг.6) или на продолжении указанных прямых 11 (см. фиг.5).

4. Вместо шатунов 1 (см. фиг.4а, 6) можно применить штоки 12 (см. фиг.5).

Между отличительными признаками и решаемой задачей существует следующая причинно-следственная связь, заключающаяся в том, что для уменьшения силы N (см. фиг.4а), прижимающей поршни к стенкам цилиндров, оси цилиндров расположены на продолжении указанных больших осей 11 эллипсов 10 (см. фиг.6) или на продолжении указанных прямых 11 (см. фиг.5).

Сущность изобретения поясняется графическими материалами.

На фиг.1 показан известный кривошипно-шатунный механизм, имеющий недостаток, заключающийся в наличии верхней мертвой точки (ВМТ).

На фиг.2 показан известный кривошипно-шатунный механизм, кривошип ОА которого повернут на угол α, равный 10 градусам от положения верхней мертвой точки. В данном положении механизма возникает максимальная сила от сгорания топливовоздушной смеси, а плечо ОС для передачи этой максимальной силы - небольшое, что является недостатком кривошипно-шатунного механизма.

На фиг.3 показано действие суммарных сил в кривошипно-шатунном механизме. Очевидно, что большая доля от максимальной силы, возникающей от сгорания топливовоздушной смеси, нагружает как шатунные подшипники, так и коренные подшипники, и лишь малая доля от этой максимальной силы направлена на создание крутящего момента двигателя, т.к. плечо для передачи максимальной силы является небольшим.

На фиг.4а показан известный кривошипно-ползунный механизм, являющийся прототипом (см. Патент на изобретение №2163680 с датой приоритета от 23.07.1998), у которого плечи ВуСу и ВхСх четырехколенного дополнительного вала 2 повернуты на 45 градусов от вертикальной оси. Известный кривошипно-ползунный механизм показан на фиг.4а в том положении, когда в камере сгорания возникает сила Pmax от сгорания топливовоздушной смеси. Практически поршень 13 находится в верхней мертвой точке в интервале углов α, т.е. от 339 градусов до 347 градусов, а максимальная сила (Pmax) возникает примерно через 10 градусов после прохождения поршнем 13 своей верхней мертвой точки. Таким образом, сила (Pmax) возникает при α, равном 357 градусам. Именно это положение известного кривошипно-ползунного механизма и показано на (фиг.4а), на которой видно, что угол β (угол отклонения шатуна 1 от оси расположения цилиндра), имеет довольно большую величину в момент, когда сила Р равна максимальной величине. В результате этого сила N, прижимающая поршень к стенке цилиндра, имеет большую величину, что является недостатком известного кривошипно-ползунного механизма, оси цилиндров которого расположены по осям ОУ и ОХ. Цифрой 10 на фиг.4а обозначена траектория движения оси шейки Су. Траекторией движения оси шейки Су является эллипс, расположенный относительно своей большой оси 11.

На фиг.4б показан известный кривошипно-ползунный механизм в аксонометрии, в положении, когда кривошип 3 совпадает с осью ОУ.

На фиг.5 показан один из заявляемых кривошипно-ползунных механизмов, у которого выполняется зависимость или , где или , т.е. оси плеч ВуСу и ВхСх повернуты на угол ϕ, равный 120 градусам, против часовой стрелки относительно радиусов АВу и АВх, а длины плеч ВуСу и ВхСх равны 1,0, умноженной на длину радиуса АВу или АВх. В результате этого оси шеек Су и Сх будут совершать движение не по траектории эллипса, а по траектории прямой, полученной согласно формуле изобретения сужением эллипса 10 вдоль его большой оси 11, а оси цилиндров расположены на продолжении указанных прямых, т.е. по осям Е-Е и F-F. У данного кривошипно-ползунного механизма вместо шатунов 1 (см. фиг.6) можно применить штоки 12 (см. фиг.5), жестко соединенные с поршнями 13, 13' и 14, 14' и сочлененные с шейками Су и Сх, а сила N, прижимающая поршни к стенкам цилиндров, будет зависеть от сил трения в подшипниках между шейками Су, Сх и штоками 12.

На фиг.6 показан другой из заявляемых кривошипно-ползунных механизмов, у которого согласно формуле изобретения оси цилиндров расположены на продолжении больших осей 11 эллипсов 10, в результате этого в момент возникновения максимальной силы Р от сгорания топливно-воздушной смеси сила N, прижимающая поршень 13 к стенке цилиндра, равна нулю, так как угол β - угол отклонения шатуна 1 от оси ОЕ - равен нулю. Шестерни 8 и 9 на фиг.6 не показаны.

Для достижения поставленной задачи заявляемое устройство «Кривошипно-ползунный механизм» имеет следующие совокупности существенных признаков. Кривошипно-ползунный механизм содержит шатуны 1, сочлененные с поршнями 13 и 14 через шейки De и Df (см. фиг.6), или штоки 12, жестко соединенные с поршнями 13, 13', 14, 14' (см. фиг.5) и сочлененные с шейками Су и Сх дополнительного четырехколенного вала 2, концевые шейки, шейки А которого выполнены с возможностью передвижения по кругу при условии, что радиус ОА основного кривошипа 3 с центральными выводными валами 4 (см. фиг.46) равен радиусу АВу и АВх дополнительного четырехколенного вала 2, ползуны 5, направляющие 6, расположенные в V-образном картере (см. фиг.6) или в крестообразном картере (см. фиг.5), соединительный вал 7 (см. фиг.4б) с шестернями 8 наружного зацепления, фиксирующими относительное положение основных кривошипов 3 друг относительно друга через шестерни 9 (см. фиг.4б) наружного зацепления, цилиндры, оси которых расположены на продолжении указанных больших осей 11 эллипсов 10 (см. фиг.6) или на продолжении указанных прямых 11 (см. фиг.5).

Кривошипно-ползунные механизмы для увеличения максимального крутящего момента в поршневых двигателях внутреннего сгорания согласно изобретению работают следующим образом: при нахождении поршней в положениях, когда они прошли свои верхние мертвые точки, а кривошипы 3 повернулись приблизительно на 10 градусов от положения поршней в верхних мертвых точках, возникает максимальная сила Pmax, которая может передаваться через большие плечи ВуМу (см. фиг.6 и фиг.5), возникающие от проекций плеч ВуСу на перпендикуляры, опущенные из оси шейки By на продолжения осей шатунов 1 (см. фиг.6) или на оси штоков 12 (см. фиг.5). Благодаря передачи максимальной силы Pmax через большие плечи ВуМу максимальный крутящий момент у двигателя с кривошипно-ползунными механизмами будет большим в отличие от двигателей с кривошипно-шатунными и бесшатунными механизмами (Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. Баландин С.С. Изд.2-е, доп. М., «Машиностроение», 1972, стр. 176). Проекции от плеч ВхСх на перпендикуляры к шатунам или штокам, опущенные из осей шеек Вх, ввиду аналогичности не показаны. Сила N, возникающая от действия силы Р и прижимающая поршни к стенкам цилиндров (см. фиг.4а), будет меньше в двигателе с механизмом, показанном на фиг.6, так как оси цилиндров расположены на продолжении больших осей 11 эллипсов 10 - траекторий движения осей шеек Су и Сх, то есть оси цилиндров расположены по осям Е-Е и F-F. В двигателе с кривошипно-ползунным механизмом, у которого выполнятся зависимость или , например угол ϕ равен 120 градусам, а длины плеч ВуСу и ВхСх равны 1, умноженной на длину радиуса АВу или АВх (см. фиг.5), и траектории движения осей шеек Су и Сх имеют форму, изменившуюся от эллипса до прямой, полученной сужением эллипса относительно его большой оси. Силы N, прижимающие поршни к стенкам цилиндров, будут зависеть от величины сил трения, возникающих в подшипниках между шейками Су, Сх и штоками 12.

Создание компьютерной модели данного механизма и проведение исследований на ней открыло следующие возможности кривошипно-ползунных механизмов: было установлено, что траекториями движения осей шеек Су и Сх являются эллипсы 10 (см. фиг.6), которые могут сжиматься относительно своих больших осей в прямые линии, совпадающие с большими осями 11 (см. фиг.5), в случаях, когда выполняется следующая зависимость: или . Это позволяет вместо шатунов 1 (см. фиг.6) применить штоки 12 (см. фиг.5), в случае расположения осей цилиндров на продолжении прямых линий 11, по которым перемещаются оси шеек Су и Сх, то есть по осям Е-Е и F-F.

Технический результат предлагаемого изобретения выражается в следующем:

1. Увеличение максимального крутящего момента двигателя за счет увеличения плеча, передающего максимальную силу от сгорания топливовоздушной смеси.

2. Уменьшение сил N, прижимающих поршни к стенкам цилиндров за счет расположения осей цилиндров на продолжении больших осей эллипсов, то есть по осям Е-Е и F-F.

3. Уменьшение рабочего объема двигателя за счет увеличения максимального крутящего момента двигателя.

4. Уменьшение размеров двигателя за счет уменьшения его рабочего объема и за счет кинематических особенностей кривошипно-ползунных механизмов.

5. Уменьшение металлоемкости двигателя за счет уменьшения его размеров.

6. Экономия топлива за счет уменьшения рабочего объема двигателя.

7. Увеличение моторесурса двигателя за счет уменьшения удельных нагрузок на пары трения.

8. Улучшение экологических показателей двигателей, т.к. поршни в верхних мертвых точках находятся большее время, нежели в двигателях с кривошипно-шатунными механизмами. В результате сгорание будет более полным.

Приложение

Вывод зависимости Q от ϕ, где или , а ϕ - угол между осями плеч ВуСу, ВхСх и осями радиусов АВу и АВх.

Предположим, что ось шейки Су может двигаться по прямой линии, проходящей через начало координат, т.е. через точку О. Ось шейки By всегда движется по оси OY, а ось шейки Вх всегда движется по оси ОХ. Нарисуем заявляемый кривошипно-ползунный механизм, у которого угол градусов, в том положении, когда ось шейки Су совпадает с точкой О, т.е. с началом координат (см. фиг.7). На фиг.7 видно, что плечо ВуСу совпадает с осью OY. Обозначим длины радиусов АВу, АВх и длину кривошипа ОА через R, т.к. они имеют одинаковую длину согласно ограничительной части формулы, т.е. ABy=ABx=OA=R. Обозначим символом α угол отклонения кривошипа ОА от оси OY. Тогда угол ∠ByBxCy обозначим символом γ.

Тогда угол . Обозначим отношение длины плеча ВуСу к длине радиуса АВу, который равен R, символом Q, т.е. , отсюда ByCy=Q·R. . Выразим угол γ через угол α, а ВуСу через Q·R, т.е. . Выразим угол α через угол ϕ, тогда α=π-ϕ, тогда , или , тогда или .

1. Кривошипно-ползунный механизм, содержащий основные кривошипы с центральными выводными валами, соединительный вал с шестернями, фиксирующими относительное положение основных кривошипов друг относительно друга через шестерни наружного зацепления, дополнительный четырехколенный вал, концевые шейки которого выполнены с возможностью передвижения по кругу при равенстве радиусов основного кривошипа и дополнительного четырехколенного вала, плечи ВуСу и ВхСх дополнительного коленчатого вала, находящиеся под углом к осям его радиусов АВу и АВх, цилиндры и поршни, отличающийся тем, что угол ϕ между осями радиусов АВу и АВх и осями плеч ВуСу и ВхСх дополнительного четырехколенного вала определен неравенствами 0°≤ϕ<45° и 45°<ϕ≤180°, в соответствии с чем траектории движения осей шеек Су и Сх плечей ВуСу и ВхСх могут иметь форму либо эллипса, либо прямой, полученной сужением эллипса вдоль его большой оси, при этом оси цилиндров расположены на продолжении больших осей эллипсов или на продолжении указанных прямых.

2. Механизм по п.1, отличающийся тем, что поршни сочленены с шатунами, сочлененными с плечами ВуСу и ВхСх через шейки Су и Сх.

3. Механизм по п.1, отличающийся тем, что поршни, в случае когда оси шеек Су и Сх совершают движение не по траектории эллипса, а по траектории прямой, жестко соединены со штоками, сочлененными с плечами ВуСу и ВхСх через шейки Су и Сх.

4. Механизм по п.2 или 3, отличающийся тем, что может содержать как V-образные блоккартеры, так и крестообразные.