Кривошипно-коромысло-шатунный механизм
Изобретение относится к машиностроению, в частности к механизмам преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, и может быть использовано, например, в двигателях внутреннего сгорания, насосах и компрессорах. Технический результат заключается в упрощении конструкции, уменьшении массогабаритных параметров и повышении долговечности и надежности, а также в обеспечении возможности настройки характеристик крутящего момента механизма, скорости и величины хода рабочего органа без изменения радиуса кривошипов. Согласно изобретению механизм состоит из рабочего органа, в частном случае поршня, шарнирно связанного со штангой, которая расположена в направляющей и шарнирно связана с коромыслом. Каждое плечо коромысла шарнирно соединено с шатунами, в свою очередь, шарнирно связанными с двумя синхронно вращающимися коленчатыми валами. При этом каждый конец коромысла связан с соответствующим валом посредством одного шатуна, а шатуны имеют возможность перемещения каждый в своей плоскости. 3 з.п. ф-лы, 17 ил.
Данное устройство относится к машиностроению и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, насосах, компрессорах и механизмах для передачи возвратно-поступательного движения какой-либо детали во вращательное движение коленвалов (кривошипов) и обратно, вращательное движение коленвалов - в возвратно-поступательное движение какой-либо детали с возможностью задавания параметров характеристики этого возвратно-поступательного движения и характеристики крутящего момента на его валах без изменения радиуса кривошипов.
Известен кривошипно-шатунный механизм, использованный в поршневой машине (а.с. SU №1267013, опубл. 30.10.1986 г.), который состоит из двух шатунов, связанных с поршнем единым пальцем, и двух коленчатых валов, каждый из которых связан с одним из шатунов, а между собой валы связаны при помощи конической зубчатой передачи, причем коленчатые валы и шатуны расположены симметрично относительно оси поршня.
В качестве прототипа может быть принят двухвальный универсальный кривошипно-коромысло-шатунный механизм (патент RU №2275519, опубл. 2006.04.27), имеющий возможность настройки скорости и величины хода рабочего органа и характеристик крутящего момента на валах независимо от радиуса кривошипов и состоящий из двух синхронно вращающихся коленчатых валов, расположенных параллельно и связанных друг с другом шестернями с передаточным отношением, равным единице, коромысла, концы которого шарнирно связаны с одноименными шатунными шейками двух указанных коленчатых валов, и штанги, закрепленной с возможностью перемещения в направляющей, при этом штанга одним концом связана со средним шарниром коромысла, а другим концом связана с деталью или поршнем, при этом каждый из концов коромысла шарнирно связан с шатунной шейкой одного из коленчатых валов посредством пары шатунов таким образом, что пара шатунов, связанная с одним из коленчатых валов, расположена перекрестием к паре шатунов, связанной с другим коленчатым валом.
Недостатками известного механизма является сложность и громоздкость конструкции и повышенный износ штанги и направляющей ввиду сложности установки и крепления в данной конструкции направляющей штанги с минимальным расстоянием к среднему шарниру коромысла, чтобы обеспечить минимальное плечо, при воздействии максимальной силы, направленной перпендикулярно оси штанги, возникающей в результате воздействия шатунов на коромысло, что существенно снижает долговечность и надежность известного механизма.
Техническим результатом заявленного устройства является упрощение конструкции, уменьшение массогабаритных параметров и повышение долговечности и надежности кривошипно-коромысло-шатунного механизма, имеющего возможность настройки характеристик крутящего момента механизма, скорости и величины хода рабочего органа без изменения радиуса кривошипов.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что предлагаемый кривошипно-коромысло-шатунный механизм состоит из рабочего органа, в частном случае поршня, шарнирно связанного со штангой, которая расположена в направляющей и шарнирно связана с коромыслом. Каждое плечо коромысла шарнирно соединено с шатунами, в свою очередь шарнирно связанными с двумя синхронно вращающимися коленчатыми валами, которые связаны между собой шестернями с передаточным отношением, равным единице. При этом коромысло имеет форму, позволяющую связать его конец с соответствующим валом посредством одного шатуна, а шатуны имеют возможность перемещения каждый в своей плоскости. Рабочий орган и коромысло также могут быть связаны двумя штангами, а штанги выполняют такой формы, чтобы позволить шатунам беспрепятственно перемещаться. Коленчатые валы могут быть расположены как параллельно, так и соосно. При соосном расположении коленчатых валов их выполняют одноопорными и связывают между собой посредством, как минимум, одной конической передачи, обеспечивающей их встречное вращение.
Заявленный кривошипно-коромысло-шатунный механизм (далее ККШМ) поясняется чертежами:
На фиг.1 изображена кинематическая схема ККШМ;
На фиг.2 показан вид снизу кинематической схемы ККШМ;
На фиг.3 показана кинематическая схема конструкции двигателя внутреннего сгорания (далее ДВС);
На фиг.4 показана кинематическая схема заявляемого ККШМ в ДВС при перемещении поршня в цикле расширения;
На фиг.5 показана кинематическая схема ДВС с заявляемым ККШМ при перемещении поршня в цикле сжатия;
На фиг 6 показана кинематическая схема ККШМ и силы, действующие в нем при его работе, где Р - давление газов; ϕ - угол поворота валов, N1, N2 - поперечные силы, равные по величине;
На фиг.7 показана кинематическая схема ККШМ в ДВС в положении, когда поперечные силы не равны по величине;
На фиг.8 изображены характеристики крутящего момента на валах ККШМ в ДВС при различных углах α - установки одного кривошипа относительно другого (при давлении рабочего газа Рг и радиусов кривошипов R, принятых равным единице), где Мкр - крутящий момент; А - характеристика при α=15°, В - характеристика при α=30°, С - характеристика при α=45°, D - характеристика при α=60°;
На фиг.9 изображен график зависимости действующего значения крутящего момента механизма Мкр от угла поворота валов ϕ при воздействии на поршень давления рабочего газа за один цикл, где: Мкр действ - действующий крутящий момент; А - действующий крутящий момент при установке кривошипов относительно друг друга на α=15°, В - действующий крутящий момент при установке кривошипов относительно друг друга на α=30°, С - действующий крутящий момент при установке кривошипов относительно друг друга на α=45°, D - действующий крутящий момент при установке кривошипов относительно друг друга на α=60°;
На фиг.10 изображен график зависимости перемещения рабочего органа от угла ϕ поворота валов, где Н - ход рабочего органа, А - характеристика одновальной системы, В - характеристика перемещения рабочего органа в заявляемом ККШМ;
На фиг.11 показаны собственные характеристики передачи крутящего момента Мкр механизмов в зависимости от угла ϕ поворота валов, при давлении газа на поршень, принятом равным единице, и одинаковом радиусе кривошипов, принятом равным единице, где: А - характеристика одновальной системы, В - характеристика заявляемого ККШМ;
На фиг.12 показана кинематическая схема ККШМ с двумя штангами, вид снизу;
На фиг.13 показана кинематическая схема ККШМ с соосным расположением одноопорных коленвалов;
На фиг.14 изображена кинематическая схема ККШМ с соосным расположением одноопорных коленвалов, вид сбоку;
На фиг.15 изображена кинематическая схема ККШМ с соосным расположением одноопорных коленвалов, вид снизу.
На фиг.16 изображена схема ККШМ в ДВС с двумя соосными одноопорными коленвалами в цикле сжатия.
На фиг.17 изображена схема ККШМ в ДВС с двумя соосными одноопорными коленвалами в цикле расширения.
Заявленный ККШМ имеет несколько вариантов исполнения:
Вариант 1 исполнения ККШМ, использованного в конструкции ДВС.
Предлагаемый механизм состоит из двух параллельно расположенных коленчатых валов (кривошипов) 1 и 2 с установленными на них шестернями 3 и 4. Коленчатые валы 1 и 2 имеют возможность синхронного вращения в любых направлениях и связаны посредством шарниров 5 и 6 с шатунами 7 и 8. Шатуны 7 и 8 находятся в разных плоскостях и шарнирно связаны с противолежащими концами коромысла 9. Коромысло 9 расположено между шатунами 7 и 8 и своим средним шарниром связано со штангой 10. Коромысло 9 имеет форму, позволяющую связать каждый его конец с соответствующим валом посредством одного шатуна, при этом шатуны 7 и 8 имеют возможность перемещения каждый в своей плоскости. Штанга 10 связана с рабочим органом и установлена в направляющей 11 с возможностью возвратно-поступательного перемещения. В качестве направляющей 11 может быть применена втулка, пара роликов или другая конструкция, обеспечивающая надежную опору и легкое перемещение штанги 10. Штанга 10 имеет форму, позволяющую беспрепятственно перемещаться шатунам 7 и 8, может быть, как один из вариантов, выполнена в виде вилки. В качестве рабочего органа в данном варианте использован поршень 12, который подвижно установлен в цилиндре 13. Применение коромысла такой формы в ККШМ позволяет разместить и закрепить направляющую 11, обеспечивая минимальное расстояние до среднего шарнира коромысла при положении поршня 12 в ВМТ. При таком положении поршня 12 давление рабочего газа максимально и максимальна величина поперечных сил, которые оказывают изгибающее воздействие на штангу 10.
Если предлагаемый механизм применить в двигателе внутреннего сгорания, то он работает следующим образом.
При сгорании топливно-воздушной смеси расширяющиеся газы воздействуют с силой Р на поршень 12, что приводит его в движение внутри цилиндра 13 (см. фиг.3). Поршень 12 толкает штангу 10, которая посредством коромысла 9 и шатунов 7 и 8 приводит коленчатые валы (кривошипы) 1 и 2 во вращение. При достижении поршнем 12 нижней мертвой точки (далее по тексту НМТ) происходит выпуск продуктов сгорания, после чего производят подачу новой порции топливо-воздушной смеси (см. фиг.4). Далее на штангу 10 воздействует сила инерции от вращающихся коленвалов 1 и 2, которая перемещает поршень 12 в положение ВМТ, производя при этом сжатие топливно-воздушной смеси (см. фиг.5). Далее цикл повторяется.
Характеристика крутящего момента на коленвалах 1, 2 и скорость перемещения поршня 12 в прямом и обратном направлении при неизменном радиусе кривошипов могут быть различными и зависят от угла α установки одного кривошипа относительно другого. Также характеристики крутящего момента на коленвалах 1, 2 и скорость перемещения поршня 12 можно задавать и геометрическими размерами шатунов 7 и 8, коромысла 9, межосевого расстояния валов 1 и 2, а также изменением их пропорций. Изменения характеристики крутящего момента на коленвалах 1, 2 и скоростной характеристики возвратно-поступательного движения поршня 12 как в прямом, так и в обратном направлении без изменения радиусов коленвалов 1 и 2 и их заданной угловой скорости можно осуществить за счет изменения длины шатунов 7 и 8. Чем больше длина шатунов 7 и 8 при неизменяемых других геометрических параметрах механизма, тем меньше соотношение угла поворота коленвалов 1 и 2 при движении поршня от НМТ к ВМТ к углу поворота при движении от ВМТ к НМТ и соответственно также будет меняться соотношение скорости при движении поршня 12 от НМТ к ВМТ к скорости поршня 12 от ВМТ к НМТ. Такой же закономерности подчиняются и соотношения значений максимальных крутящих моментов на валах в данных диапазонах. Чем больше длина шатунов, тем меньше соотношение этих величин и, наоборот, чем меньше длина шатунов, тем соотношение скоростей и максимальных крутящих моментов больше и минимальная величина длины шатунов ограничена конструктивными соотношениями остальных геометрических параметров механизма, обеспечивающими его работоспособность, беспрепятственное вращение валов 1 и 2 и исключающими заклинивание механизма.
Крутящий момент механизма определяется по формуле: Мкр=М1+М2, где:
M1 - крутящий момент коленвала 1;
М2 - крутящий момент коленвала 2.
Крутящий момент вала 1 определяется по формуле: М1=Т1×R1, где:
T1 - тангенциальная сила коленвала 1;
R1 - радиус коленвала (кривошипа) 1.
Крутящий момент вала 2 определяется по формуле: M2=T2×R2, где:
Т2 - тангенциальная сила коленвала 2;
R2 - радиус коленвала 2.
Тангенциальная сила вала 1 определяется по формуле: T1=P×Sinγ1/Cosβ1, где:
Р - давление газов на поршень.
Тангенциальная сила вала 2 определяется по формуле: Т2=Р×Sinγ2/Cosβ2, где:
Р - давление газов на поршень.
Чтобы найти характеристику крутящего момента данного механизма в зависимости от его геометрических размеров и угла установки валов относительно друг друга принимаем P=1, R1=R2=1, при установке валов относительно друг друга на углы 15, 30, 45 и 60°, и получаем кривые А, В, С и D (см. фиг.8). Подставляя действующее значение давления рабочих газов за один цикл расширения при заданном угле поворота валов, получим действующий крутящий момент для характеристик А, В, С и D. Работа при вращательном движении находится по формуле:
Где: Мкр - крутящий момент на валах ДВС, действующий за угол от 0 до ϕ2 - угол, на который поворачиваются валы при расширении рабочего газа и ходе поршня от ВМТ к НМТ.
Работа за один цикл расширения рабочего заряда равна сумме крутящих моментов, действующих за время поворота валов, за который произошло расширение рабочих газов. Из этого следует: площадь под кривыми будет равняться совершенной работе действительного цикла, тогда можно найти КПД ДВС, который показывает отношение полученной работы к подведенной теплоте. На графиках фиг.9 видим, что площадь под кривыми А, В, С, D становится больше при сдвиге максимального крутящего момента к максимальному давлению рабочего газа, то есть происходит повышение произведенной работы, а так как во всех случаях количество подведенной теплоты одинаково, значит происходит повышение КПД ДВС.
КПД ДВС=Wполуч/Wподвед, где:
Wполуч - полученная работа;
Wподвед - подведенная теплота.
Изменение угла α установки одного кривошипа относительно другого позволяет установить максимум Мкр - крутящего момента механической характеристики механизма в начало расширения рабочих газов, что позволяет более эффективно использовать энергию расширяющегося заряда, повысить крутящий момент на его валах, мощность, КПД и экономичность ДВС без увеличения расхода топлива. В процессе работы заявленного механизма на штангу 10, кроме продольной силы Р, действуют поперечные силы N1 и N2, которые направлены встречно и перпендикулярно продольной оси штанги 10 (см. фиг.6).
В случае несимметричности конструкции механизма (установки коленвалов со сдвигом на какой-либо угол относительно друг друга) возникает неравенство поперечных сил и изгибающая штангу сила, что требует повышенной прочности штанги и, соответственно, увеличения ее сечения и ее массы, увеличивает износ узла "штанга-направляющая" и существенно снижает долговечность и надежность механизма. С целью снижения изгибающего момента, действующего на штангу, необходимо уменьшить плечо приложения результирующей поперечной силы. Для этого направляющую 11 устанавливают на минимальном расстоянии до среднего шарнира коромысла в положении, когда поршень находится в ВМТ (см. фиг.7). Благодаря такому расположению направляющей результирующая поперечная сила воздействует на узел "штанга-направляющая" с минимальным плечом, что позволяет существенно снизить нагрузку на узел и массогабаритные показатели данного узла.
Данный механизм имеет возможность изменения различных параметров, таких как увеличение крутящего момента без увеличения радиуса кривошипов, увеличение и смещение к началу угла поворота максимального значения собственной несимметричной механической характеристики передачи крутящего момента механизма при обратном направлении движения поршня, которая показывает как изменяется крутящий момент на валах механизма при воздействии на штангу или поршень постоянной силы - Р и радиуса кривошипа - R, принятых за единицу, в зависимости от угла ϕ поворота валов, изменение хода поршня без изменения радиуса кривошипов (см фиг.10), уменьшение заданных значений ускорений поршня при перемене направления движения в НМТ и ВМТ, соответственно, уменьшение инерционных нагрузок на детали механизма.
Вышеуказанные параметры можно изменять в зависимости от поставленной задачи, варьируя величиной сдвига угла α между кривошипами и геометрическими размерами коромысла, шатунов, межосевого расстояния валов и изменением их пропорций, которые ограничиваются заданными весогабаритными показателями механизма и прочностью применяемых материалов.
Вариант 2 исполнения ККШМ, использованного в конструкции ДВС
На фиг.12 показана кинематическая схема ККШМ, подобная механизму по варианту 1, с отличием в том, что поршень 12 соединен с коромыслом 9 двумя штангами 10. Данное обстоятельство позволяет также применить по одному шатуну на каждый вал, что также способствует достижению заявленного технического результата.
Вариант 3 исполнения ККШМ, использованного в конструкции ДВС
На фиг.13-15 показана кинематическая схема ККШМ, подобная механизму по варианту 1, с отличием в том, что одноопорные коленчатые валы 1 и 2 расположены соосно и связаны между собой посредством, как минимум, одной конической передачи, обеспечивающей встречное вращение валов. На фиг.16-17 изображен ККШМ ДВС с двумя соосными одноопорными коленвалами. Соосное расположение валов позволяет уменьшить длину шатунов и, соответственно, снизить массогабаритные характеристики ДВС при одинаковых технических характеристиках. Величина хода поршня в ККШМ с параллельными валами зависит от радиуса коленвалов и их межосевого расстояния, а соосное расположение валов позволяет ход поршня сделать зависимым только от величины радиуса коленвалов и угла установки между валами. При этом для повышения крутящего момента с помощью увеличения радиуса кривошипов соосных валов мы незначительно увеличиваем ход поршня и его линейную скорость.
Вариант 4 исполнения ККШМ, использованного в конструкции насоса
Конструкция насоса аналогична конструкции ДВС, описанного в варианте 1. В процессе работы данного насоса коленчатые валы 1 и 2 приводят во вращение, например, при помощи электродвигателя либо другого устройства. Вращающиеся коленвалы 1 и 2 посредством шатунов, коромысла и штанги сообщают поршню 12 возвратно-поступательное движение внутри цилиндра 13. Поршень 12 оказывает воздействие на перекачиваемую жидкость или газ и приводит его в движение.
Вариант 5 исполнения ККШМ, использования в конструкции механизма с возвратно-поступательным движением рабочего органа
Конструкция данного механизма аналогична конструкции, описанной в варианте 1, с разницей в том, что в качестве рабочего органа использован инструмент для выполнения определенной операции. В качестве рабочего органа могут быть использованы: вырубной штамп, игла, пила, резец, печатная матрица, манипулятор и пр. инструменты. В процессе работы данного механизма коленчатые валы 1 и 2 приводят во вращение, например, при помощи электродвигателя либо другого устройства. Вращающиеся валы 1 и 2 посредством шатунов, коромысла и штанги сообщают инструменту возвратно-поступательное движение.
Таким образом, описанные конструкции позволяют применить по одному шатуну на каждый вал и установить направляющую с минимальным расстоянием до среднего шарнира коромысла при нахождении рабочего органа в ВМТ, позволяют упростить конструкцию, уменьшить габаритные размеры и повысить долговечность и надежность кривошипно-коромысло-шатунного механизма, имеющего возможность настройки характеристик хода рабочего органа и характеристик крутящего момента на его валах путем изменения геометрических пропорций механизма без изменения радиусов кривошипов.
1. Кривошипно-коромысло-шатунный механизм, состоящий из рабочего органа, шарнирно связанного со штангой, которая расположена в направляющей и шарнирно связана с коромыслом, каждое плечо которого шарнирно соединено с шатунами, в свою очередь, шарнирно связанными с двумя синхронно вращающимися коленчатыми валами, связанными между собой шестернями с передаточным отношением, равным единице, отличающийся тем, что коромысло имеет форму, позволяющую связать его конец с соответствующим валом посредством одного шатуна, при этом шатуны имеют возможность перемещения каждый в своей плоскости.
2. Механизм по п.1, отличающийся тем, что рабочий орган и коромысло связаны двумя штангами.
3. Механизм по п.1, отличающийся тем, что валы расположены соосно и связаны между собой посредством, как минимум, одной конической передачи, обеспечивающей встречное вращение валов.
4. Механизм по п.1, отличающийся тем, что штанга имеет форму, позволяющую беспрепятственно перемещаться шатунам.
