RU200823U1

RU200823U1 - Crank mechanism of piston machine

Info

Publication number: RU200823U1
Application number: RU2020125325U
Authority: RU
Inventors: Александр Иванович Яманин
Priority date: 2020-07-21
Filing date: 2020-07-21
Publication date: 2020-11-12

Abstract

Предложенное устройство относится к преобразующим механизмам поршневых машин и может быть использовано в поршневых двигателях, компрессорах, насосах и пр.Предложен кривошипно-шатунный механизм поршневой машины, содержащий поршни, посредством поршневых пальцев шарнирно связанные с поршневыми головками шатунов, кривошипные головки которых выполнены в форме цилиндрических секторов, охватывающих подшипник, установленный на шатунной шейке разъемного кривошипа, в щеках которого выполнены кольцевые выточки, соосные с шатунной шейкой. В кольцевых выточках щек установлены подшипники качения, охватывающие кривошипные головки всех шатунов.Предложенное устройство позволяет упростить конструкцию и технологию сборки кривошипно-шатунного механизма.Упрощение конструкции механизма достигается за счет сокращения числа его звеньев. Роль стяжных полуколец, охватывающих кривошипные головки всех шатунов, выполняют подшипники, устанавливаемые в кольцевые выточки в щеках разъемного кривошипа.Применение подшипников качения одновременно обеспечивает снижение потерь на трение без принудительной подачи масла к ним, позволяет реализовать четырехтактный рабочий процесс теплового двигателя.The proposed device relates to the converting mechanisms of piston machines and can be used in piston engines, compressors, pumps, etc. The proposed crank mechanism of a piston machine, containing pistons, by means of piston pins pivotally connected to the piston heads of the connecting rods, the crank heads of which are made in the form of cylindrical sectors covering the bearing mounted on the connecting rod journal of a split crank, in the cheeks of which there are annular grooves coaxial with the connecting rod journal. Rolling bearings are installed in the annular grooves of the cheeks, covering the crank heads of all connecting rods. The proposed device allows to simplify the design and assembly technology of the crank mechanism. Simplification of the mechanism design is achieved by reducing the number of its links. The role of clamping half-rings, covering the crank heads of all connecting rods, is played by bearings installed in the annular grooves in the cheeks of a split crank.The use of rolling bearings simultaneously reduces friction losses without forced oil supply to them, allows you to implement a four-stroke work process of a heat engine.

Description

Полезная модель относится к преобразующим механизмам поршневых машин и может быть использована в поршневых двигателях, компрессорах, насосах и пр.The utility model relates to the converting mechanisms of reciprocating machines and can be used in reciprocating engines, compressors, pumps, etc.

Наиболее известны кривошипно-шатунные механизмы, содержащие кривошип, подвижно установленный в подшипниках корпуса коренными шейками и шарнирно связанный с шатуном; поршневой палец, сочлененный с шатуном и поршнем, движущимся в цилиндре (корпусе). Недостатком кривошипно-шатунного механизма является увеличение габаритной длины многоцилиндровой поршневой машины при рядном и V-образном расположении цилиндров. Уменьшение длины возможно при звездообразном расположении цилиндров, когда многие (все) шатуны связываются с одним и тем же кривошипом коленчатого вала. Наиболее известным и распространенным является такой механизм, содержащий один главный шатун, подвижно сочлененный с шатунной шейкой кривошипа, и несколько прицепных шатунов, также шарнирно связанных с главным шатуном. Все шатуны при этом располагаются в одной плоскости. В двигателях внутреннего сгорания с таким механизмом могут быть реализованы двухтактный и четырехтактный рабочие процессы. Недостатком кривошипно-шатунных механизмов с прицепными шатунами является то, что все поршни перемещаются в соответствии с различными законами движения, что приводит к увеличению неуравновешенности и виброактивности поршневой машины. Известен механизм «Нордберг» [Ливенцев, Ф.Л. Двигатели со сложными кинематическими схемами. Кинематика, динамика и уравновешивание / Ф.Л. Ливенцев. - Л.: Машиностроение, 1973. - 176 с.] для звездообразной поршневой машины, в котором все поршни движутся по одинаковым законам. Недостатком механизма «Нордберг» является усложнение конструкции, обусловленное увеличением числа подвижных звеньев. В двигателях с механизмом «Нордберг» также могут быть реализованы двухтактный и четырехтактный рабочие процессы. В литературе описан механизм «Пенкейк» (известный также под названием «Лоуренс») [http://enginehistory.org/CAD/index.php#PWR-1340], в котором все поршни при звездообразном расположении цилиндров также перемещаются по одинаковым законам. Известно применение механизма в судовых двухтактных дизелях (под названием «Пенкейк») и четырехтактных авиационных двигателях (под названием «Лоуренс»). Этот механизм включал кривошип с удлиненной шатунной шейкой, на который опирались кривошипные головки нескольких шатунов. Кривошипные головки имели форму цилиндрических секторов, длина которых была равна (с учетом необходимых зазоров) длине шатунной шейки. Наружная и внутренняя поверхности кривошипных головок и наружная поверхность шатунной шейки были соосны. Концевые участки кривошипных головок всех шатунов охватывались снаружи стяжными полукольцами. Вследствие этого обеспечивался постоянный контакт внутренних поверхностей кривошипных головок и наружной поверхности шатунной шейки. Внутренние поверхности стяжных полуколец выполняли роль подшипника. При реализации двухтактного цикла наружная поверхность кривошипных головок шатунов практически не сопрягалась с внутренней цилиндрической поверхностью стяжных полуколец, поскольку суммарные движущие силы при этом действуют только в направлении оси вращения коленчатого вала. При реализации четырехтактного цикла неизбежно сопряжение наружных поверхностей кривошипных головок шатунов со стяжными полукольцами, что обусловливает увеличение потерь на трение. Недостатком механизма «Пенкейк» является увеличение числа подвижных звеньев по сравнению с простейшим кривошипно-шатунным механизмом в связи с необходимостью применения полуколец. Кроме того, по этой же причине неизбежно увеличивается длина шатунной шейки, что отрицательно сказывается на ее прочности и жесткости. Одновременно с этим возрастает сложность сборки поршневой машины с таким механизмом.The best known are crank mechanisms containing a crank movably mounted in the bearings of the housing with main journals and pivotally connected to the connecting rod; a piston pin articulated with a connecting rod and a piston moving in a cylinder (body). The disadvantage of the crank mechanism is the increase in the overall length of the multi-cylinder piston machine with in-line and V-shaped arrangement of cylinders. Decrease in length is possible with a star-shaped arrangement of cylinders, when many (all) connecting rods are associated with the same crankshaft crank. The most famous and widespread is such a mechanism, containing one main connecting rod, movably articulated with the crank pin of the crank, and several trailed connecting rods, also articulated with the main connecting rod. In this case, all the connecting rods are located in the same plane. In internal combustion engines with such a mechanism, two-stroke and four-stroke work processes can be realized. The disadvantage of crank mechanisms with trailed connecting rods is that all pistons move in accordance with different laws of motion, which leads to an increase in the imbalance and vibration activity of the piston machine. The known mechanism "Nordberg" [Liventsev, F.L. Engines with complex kinematic circuits. Kinematics, dynamics and balancing / F.L. Liventsev. - L .: Mashinostroenie, 1973. - 176 S.] for a radial piston machine, in which all pistons move according to the same laws. The disadvantage of the mechanism "Nordberg" is the complication of the design, due to the increase in the number of moving links. Engines with a Nordberg mechanism can also implement two-stroke and four-stroke work processes. The literature describes the "Pencake" mechanism (also known as "Lawrence") [http://enginehistory.org/CAD/index.php#PWR-1340], in which all pistons with a star-shaped arrangement of cylinders also move according to the same laws. Known application of the mechanism in two-stroke marine diesel engines (under the name "Pencake") and four-stroke aircraft engines (under the name "Lawrence"). This mechanism included a crank with an elongated connecting rod neck, on which the crank heads of several connecting rods rested. The crank heads were in the form of cylindrical sectors, the length of which was equal (taking into account the necessary clearances) to the length of the connecting rod journal. The outer and inner surfaces of the crank heads and the outer surface of the connecting rod journal were coaxial. The end sections of the crank heads of all connecting rods were covered from the outside by clamping half rings. As a result, constant contact of the inner surfaces of the crank heads and the outer surface of the connecting rod journal was ensured. The inner surfaces of the clamping half rings served as a bearing. When implementing a two-stroke cycle, the outer surface of the crank heads of the connecting rods practically did not mate with the inner cylindrical surface of the clamping half rings, since the total driving forces act only in the direction of the axis of rotation of the crankshaft. When implementing a four-stroke cycle, it is inevitable that the outer surfaces of the crank heads of the connecting rods are coupled with the coupling half rings, which leads to an increase in friction losses. The disadvantage of the "Pencake" mechanism is an increase in the number of moving links in comparison with the simplest crank mechanism due to the need to use half rings. In addition, for the same reason, the length of the connecting rod journal inevitably increases, which negatively affects its strength and rigidity. At the same time, the complexity of assembling a piston machine with such a mechanism increases.

Проведение поиска с ретроспективой на 15-20 лет в базах Orbit, WIPO, ФИПС не позволил выявить более современного прототипа, чем представленного ниже.A search with a 15-20 year retrospective in the Orbit, WIPO, FIPS databases did not reveal a more modern prototype than the one presented below.

Наиболее близким конструктивным аналогом является кривошипно-шатунный механизм по авторскому свидетельству [а.с. СССР №242598, МПК F02f). Кривошипно-шатунный механизм. - Опубл. 25.IV.1969. - Бюл. №15], принятый в качестве прототипа. Кривошипно-шатунный механизм для двухтактного двигателя внутреннего сгорания с радиальным расположение цилиндров и горизонтальным расположением оси коленчатого вала, содержащий шатуны, прикрепленные к шатунной шейке стяжными полукольцами. На щеках коленчатого вала, соосно с шатунной шейкой, выполнены кольцевые выточки для концевых участков кривошипных головок шатунов и стяжных полуколец. В кольцевых выточках щек кривошипа частично располагаются участки кривошипных головок шатунов и стяжные полукольца.The closest constructive analogue is the crank mechanism according to the author's certificate [and.with. USSR No. 242598, IPC F02f). Crank mechanism. - Publ. 25.IV.1969. - Bul. No. 15], adopted as a prototype. A crank mechanism for a two-stroke internal combustion engine with a radial arrangement of cylinders and a horizontal arrangement of the crankshaft axis, containing connecting rods attached to the connecting rod journal by clamping half rings. On the cheeks of the crankshaft, coaxially with the connecting rod journal, annular grooves are made for the end sections of the crank heads of the connecting rods and coupling half rings. In the annular grooves of the crank cheeks, the sections of the crank heads of the connecting rods and the coupling half rings are partially located.

Недостатком прототипа является сложность конструкции и технологии сборки механизма, обусловленная большим количеством подвижных деталей.The disadvantage of the prototype is the complexity of the design and assembly technology of the mechanism, due to the large number of moving parts.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции и технологии сборки механизма.The object of the present invention is to simplify the design and assembly technology of the mechanism.

Это достигается за счет того, что предлагается кривошипно-шатунный механизм поршневой машины, содержащий поршни, посредством поршневых пальцев шарнирно связанные с поршневыми головками шатунов, кривошипные головки которых выполнены в форме цилиндрических секторов, охватывающих подшипник, установленный на шатунной шейке кривошипа, в щеках которого выполнены кольцевые выточки, соосные с шатунной шейкой. Кривошип выполнен разъемным, в кольцевых выточках щек разъемного кривошипа установлены подшипники качения, внутренние обоймы которых целиком охватывают наружные поверхности всех кривошипных головок шатунов.This is achieved due to the fact that a crank mechanism of a piston machine is proposed, containing pistons, by means of piston pins, pivotally connected to the piston heads of the connecting rods, the crank heads of which are made in the form of cylindrical sectors covering the bearing mounted on the crank journal of the crank, in the cheeks of which annular grooves coaxial with the connecting rod journal. The crank is split, in the annular grooves of the split crank cheeks, rolling bearings are installed, the inner races of which completely cover the outer surfaces of all crank heads of the connecting rods.

При этом стяжные полукольца из конструкции исключаются, а их роль выполняют щеки разъемного кривошипа вместе с установленными в них подшипниками качения.In this case, the clamping half rings are excluded from the design, and their role is played by the cheeks of the split crank together with the rolling bearings installed in them.

На фиг. 1 показано устройство кривошипно-шатунного механизма поршневой машины.FIG. 1 shows the device of the crank mechanism of the piston machine.

На фиг. 2 показан разрез кривошипно-шатунного механизма продольной плоскостью, проходящей через ось вращения кривошипа и ось одного из цилиндров.FIG. 2 shows a section of the crank mechanism with a longitudinal plane passing through the axis of rotation of the crank and the axis of one of the cylinders.

Разъемный кривошип состоит из двух половин 1 и 2, причем, плоскость разъема проходит через среднее сечение шатунной шейки перпендикулярно оси вращения. Обе половины кривошипа стягиваются болтом 3 с гайкой 4. На обеих щеках кривошипа с внутренней стороны выполнены цилиндрические выточки 5, соосные с шатунной шейкой 6. В выточках 5 неподвижно по отношению к щекам установлены подшипники качения 7. Внутренняя обойма каждого подшипника охватывает наружные цилиндрические поверхности 8 кривошипных головок всех шатунов 9. Соосно с поверхностями 8 выполнены внутренние поверхности 10 кривошипных головок, которые опираются на подшипник 11, устанавливаемый на шатунную шейку. Кривошипная головка каждого шатуна имеет форму цилиндрического сектора, длина которого равна длине шатунной шейки. Поршневые головки шатунов при помощи поршневых пальцев 12 соединяются с поршнями 13, которые движутся в цилиндрах поршневой машины. Коренные шейки кривошипов подвижно сочленяются с корпусом поршневой машины при помощи подшипников 14.The split crank consists of two halves 1 and 2, and the plane of the split passes through the middle section of the connecting rod journal perpendicular to the axis of rotation. Both halves of the crank are pulled together by a bolt 3 with a nut 4. On both cheeks of the crank, on the inner side, cylindrical grooves 5 are made, coaxial with the connecting rod journal 6. In the grooves 5, rolling bearings 7 are fixedly installed in relation to the cheeks 7. The inner race of each bearing covers the outer cylindrical surfaces 8 the crank heads of all connecting rods 9. Coaxially with the surfaces 8, the inner surfaces 10 of the crank heads are made, which rest on the bearing 11 mounted on the connecting rod journal. The crank head of each connecting rod has the shape of a cylindrical sector, the length of which is equal to the length of the connecting rod journal. The piston heads of the connecting rods with the help of piston pins 12 are connected to pistons 13, which move in the cylinders of the piston machine. The main journals of the cranks are movably articulated with the housing of the piston machine using bearings 14.

Преобразующий механизм собирается следующим образом. Первоначально в выточку 5 каждой половины разъемного кривошипа устанавливается подшипник 7. На шатунную шейку одной из половин кривошипа надевается подшипник 11. В кольцевой промежуток между подшипниками 7 и 11 вставляются кривошипные головки шатунов, предварительно собранных с поршневыми пальцами 12 и поршнями 13. Вторая половина кривошипа устанавливается таким образом, чтобы внутренняя обойма подшипника 7 охватила с противоположной стороны кривошипные головки всех шатунов. Обе половины кривошипа стягиваются болтом 3 с гайкой 4. Далее собранный механизм устанавливается в подшипники 14 разъемного корпуса поршневой машины.The transforming mechanism is assembled as follows. Initially, bearing 7 is installed in the groove 5 of each half of the split crank. Bearing 11 is put on the connecting rod journal of one of the crank halves. The crank heads of the connecting rods are inserted into the annular space between bearings 7 and 11, pre-assembled with piston pins 12 and pistons 13. The second half of the crank is installed so that the inner race of the bearing 7 encompasses the crank heads of all connecting rods from the opposite side. Both halves of the crank are pulled together by a bolt 3 with a nut 4. Next, the assembled mechanism is installed in the bearings 14 of the split housing of the piston machine.

Упрощение конструкции механизма достигается за счет сокращения числа звеньев: исключаются стяжные полукольца, а их роль выполняют подшипники, устанавливаемые в кольцевые выточки в щеках разъемного кривошипа.Simplification of the mechanism design is achieved by reducing the number of links: clamping half rings are excluded, and their role is played by bearings installed in annular grooves in the cheeks of a split crank.

Применение подшипников качения одновременно обеспечивает снижение потерь на трение без принудительной подачи масла к ним.The use of rolling bearings at the same time ensures a reduction in friction losses without the forced supply of oil to them.

Claims

The crank mechanism of a piston machine, containing pistons, by means of piston pins are pivotally connected to the piston heads of the connecting rods, the crank heads of which are made in the form of cylindrical sectors, covering the bearing mounted on the crank journal of the crank, in the cheeks of which there are annular grooves coaxial with the connecting rod journal, characterized in that the crank is split, rolling bearings are installed in the annular grooves of the split crank cheeks, the inner cages of which completely cover the outer surfaces of all crank heads of the connecting rods.