RU2351784C2 - Vorogushin's tie rod and rocker mechanism - Google Patents
Vorogushin's tie rod and rocker mechanism Download PDFInfo
- Publication number
- RU2351784C2 RU2351784C2 RU2007116335/06A RU2007116335A RU2351784C2 RU 2351784 C2 RU2351784 C2 RU 2351784C2 RU 2007116335/06 A RU2007116335/06 A RU 2007116335/06A RU 2007116335 A RU2007116335 A RU 2007116335A RU 2351784 C2 RU2351784 C2 RU 2351784C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piston
- connecting rod
- center
- rocker
- rocker arm
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B75/00—Other engines
- F02B75/04—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads
- F02B75/045—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads by means of a variable connecting rod length
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
- Shafts, Cranks, Connecting Bars, And Related Bearings (AREA)
- Transmission Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению, прежде всего к поршневым тепловым машинам и компрессорам, а именно к устройствам преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение (и наоборот).The invention relates to mechanical engineering, primarily to reciprocating heat engines and compressors, and in particular to devices for converting reciprocating motion into rotational motion (and vice versa).
Известны устройства преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, содержащие:Known devices for converting reciprocating motion into rotational, containing:
- традиционный кривошипно-шатунный механизм (КШМ) (например, схемы КШМ - Рис.1.3; 1.5; 1.12 «Динамика поршневых двигателей» А.И.Яманин, А.В.Жаров, Машиностроение, 2003 г.);- the traditional crank mechanism (KShM) (for example, KShM schemes - Fig. 1.3; 1.5; 1.12 “Dynamics of piston engines” A.I. Yamanin, A.V. Zharov, Engineering, 2003);
- бесшатунный силовой механизм (БСМ) (например, «Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания» С.С.Баландин, Машиностроение, 1972 г. Стр.14, рис.11; стр.55, рис.54);- rodless power mechanism (BSM) (for example, “Rodless internal combustion engines” S. S. Balandin, Mechanical Engineering, 1972, p. 14, fig. 11; p. 55, fig. 54);
- крейцкопфный кривошипно-шатунный механизм (крейцкопфный КШМ) (например, малооборотные судовые двигатели. «Судовые двигатели внутреннего сгорания» З.А.Хандов, изд. Транспорт, 1969 г.).- crosshead crank mechanism (crosshead KShM) (for example, low-speed marine engines. "Marine internal combustion engines" Z.A. Handov, ed. Transport, 1969).
Недостатком традиционного КШМ является передача реактивного момента боковыми силами, действующими на стенку цилиндра через тронк поршня. Механические потери по тронку здесь достигают 38%, а КПД не превышает 0,85. Поэтому остается еще значительный внутренний резерв улучшения экономичности двигателя. Компромисс, выразившийся в использовании тронка для передачи боковых сил, принятый на заре распространения двигателей внутреннего сгорания и оказавшийся плодотворным для становления его массового производства, сегодня стал тормозом в развитии.A disadvantage of the traditional KShM is the transfer of reactive moment by the lateral forces acting on the cylinder wall through the piston tronk. Mechanical losses in the tronka here reach 38%, and the efficiency does not exceed 0.85. Therefore, there remains a significant internal reserve for improving engine efficiency. The compromise, expressed in the use of the tronk for the transmission of lateral forces, adopted at the dawn of the spread of internal combustion engines and proved fruitful for the formation of its mass production, today has become a brake on development.
Боковая сила на поршне отсутствует в двигателях с крейцкопфным КШМ, которые создавались первыми, еще до перехода к тронку. В современных крейцкопфных двигателях получен высокий механический КПД, достигший значения 0,90. Режим работы поршня и поршневых колец наиболее оптимальный. Обеспечены хорошие условия смазки всей цилиндропоршневой группы, в том числе ползуна, которому здесь отведена функция передачи силы от реактивного момента на корпус. Однако большая относительная масса крейцкопфного КШМ и внушительные вертикальные габариты двигателя исключают его использование в наземном транспорте и ограничивают сферу применения небольшим рядом наиболее крупных малооборотных корабельных силовых установок.Lateral force on the piston is absent in engines with a crosshead KShM, which were created first, even before the transition to the throne. In modern crosshead engines, a high mechanical efficiency is obtained, reaching a value of 0.90. The operating mode of the piston and piston rings is the most optimal. Good lubrication conditions are provided for the entire cylinder-piston group, including the slider, which is assigned the function of transferring force from the reactive moment to the housing. However, the large relative mass of the crosshead KShM and the impressive vertical dimensions of the engine exclude its use in land transport and limit the scope to a small number of the largest low-speed ship propulsion systems.
Компактную и совершенную схему перераспределения нагрузок дал бесшатунный силовой механизм (БСМ) С.С.Баландина. Поршень полностью разгружен от боковой силы и максимально приближен к коленчатому валу, а полученный механический КПД, равный 0,94, остается непревзойденным до сих пор. Тем не менее, наличие лишней структурной связи в механизме резко повысило требования к точности выдерживания полей допусков в размерных цепях сопрягаемых деталей БСМ, и этот факт, приводящий к частому заклинению механизма, на протяжении многих десятилетий препятствует его широкому распространению.A compact and perfect scheme of redistribution of loads was given by the rodless power mechanism (BSM) of S.S. Balandin. The piston is completely unloaded from lateral force and is as close as possible to the crankshaft, and the resulting mechanical efficiency of 0.94 remains unsurpassed so far. Nevertheless, the presence of excess structural connection in the mechanism sharply increased the requirements for the accuracy of maintaining tolerance fields in the dimensional chains of the mating parts of the BSM, and this fact, which leads to frequent jamming of the mechanism, has prevented its widespread use for many decades.
В прототипе изобретения - традиционном КШМ - сегодня практически исчерпаны все резервы улучшения характеристик двигателя, на которые влияет принцип работы механизма преобразования движения. При этом необходимо отметить, что моторные заводы особенно нуждаются в таких конструктивных улучшениях своей продукции, которые не являются капиталоемкими и не требуют перестройки всего технологического процесса производства и оснастки. Наиболее ценны эволюционные решения, целенаправленно повышающие общий уровень конкурентоспособности продукции при сохранении лучших качеств освоенных серийных изделий.In the prototype of the invention - the traditional KShM - today all reserves of improving engine performance, which are affected by the principle of operation of the movement conversion mechanism, are almost exhausted. It should be noted that motor factories especially need such structural improvements in their products that are not capital intensive and do not require restructuring of the entire technological process of production and equipment. The most valuable are evolutionary solutions that purposefully increase the overall level of product competitiveness while maintaining the best qualities of mastered serial products.
Задачей изобретения является получение компактной и относительно простой конструктивной схемы механизма преобразования движения, в котором:The objective of the invention is to obtain a compact and relatively simple structural scheme of the movement conversion mechanism, in which:
- предельно ослаблено действие боковой силы от реактивного момента, прижимающей поршень к поверхности цилиндра, и тем самым созданы условия для существенного увеличения как механического КПД цилиндропоршневой группы, так и индикаторного КПД двигателя, с учетом выполнения требования приспособленности механизма к эволюционной модернизации серийных двигателей,- the effect of lateral force from the reactive moment pressing the piston against the cylinder surface is extremely weakened, and thereby conditions are created for a significant increase in both the mechanical efficiency of the cylinder-piston group and the indicator efficiency of the engine, taking into account the fulfillment of the adaptability of the mechanism to the evolutionary modernization of serial engines,
- обеспечена возможность изменения степени сжатия в рабочем цилиндре.- provided the ability to change the degree of compression in the working cylinder.
Задача изобретения решается тем, что:The objective of the invention is solved in that:
- функция передачи на корпус боковой силы от реактивного момента двигателя с тронка поршня, который всегда передает ее в относительном движении, переводится на специальное передаточное звено механизма - боковое коромысло, имеющее возможность передачи боковой реактивной силы в переносном движении, при этом оно шарнирно связано с верхней головкой шатуна и нижней головкой поводка поршня, причем расположение сектора качания коромысла на плоскости и длина коромысла выбираются так, чтобы центр нижней головки поводка поршня имел минимальное отклонение от оси цилиндра при крайнем верхнем угловом положении коромысла и в точке, лежащей на линии, перпендикулярной оси цилиндра и проходящей через центр качания коромысла, при этом верхняя головка шатуна шарнирно соединена с коромыслом в одной из точек его поверхности, лежащих в ограниченной круговой области, с центром, совпадающим с центром шарнирного соединения нижней головки поводка поршня с коромыслом.- the function of transmitting lateral force from the jet moment of the engine from the piston throne, which always transfers it in relative motion, to the housing, is transferred to a special transmission link of the mechanism — the lateral rocker, which is capable of transmitting lateral reactive force in the figurative movement, while it is pivotally connected the connecting rod head and the lower head of the piston lead, and the location of the rocker arm swing sector on the plane and the length of the rocker arm are selected so that the center of the lower piston lead head has a minimum the deviation from the axis of the cylinder at the extreme upper angular position of the rocker arm and at a point lying on a line perpendicular to the axis of the cylinder and passing through the center of swing of the rocker arm, while the upper head of the connecting rod is pivotally connected to the rocker arm at one of the points of its surface lying in a limited circular region, with the center coinciding with the center of the hinge of the lower head of the piston leash with the beam.
- изменение степени сжатия рабочего цилиндра путем изменения начального положения поршня в ВМТ обеспечено свободой изменения исходного углового положения коромысла механизма через возможность изменения положения его центра качания, при помощи органа управления.- changing the degree of compression of the working cylinder by changing the initial position of the piston at TDC is ensured by the freedom to change the initial angular position of the rocker arm of the mechanism through the ability to change the position of its swing center using the control.
Полученный технический результат характеризуется следующими существенными признаками:The technical result obtained is characterized by the following essential features:
- между поршнем и укороченным шатуном установлены два дополнительных звена: звено в виде поводка поршня, верхняя головка которого подвижно закреплена на пальце поршня, и звено передаточное в виде бокового коромысла с центром качания, которые шарнирно связаны между собой и с укороченным шатуном, образуя шатунно-коромысловый механизм преобразования движения, обеспечивающий возможность перераспределения действующих нагрузок таким образом, чтобы для (0,90-0,94) доли силы реактивного момента создавалось направление передачи по пути «вал-шатун-коромысло-корпус», а возможность передачи движущей силы, создающей крутящий момент на коленчатом валу, имела путь «поршень-поводок-шатун-вал», при этом возможность передачи реактивной силы через коромысло конструктивно ограничена долей (0,90-0,94) из-за наличия небольших, но необходимых угловых отклонений (3,5-5,5°) поводка поршня относительно оси цилиндра;- two additional links are installed between the piston and the shortened connecting rod: a link in the form of a piston lead, the upper head of which is movably mounted on the piston pin, and a transmission link in the form of a side rocker arm with a swing center, which are pivotally connected to each other and with a shortened connecting rod, forming a connecting rod the rocker mechanism of motion conversion, which provides the possibility of redistributing the existing loads so that for (0.90-0.94) a fraction of the reactive moment force, a transmission direction is created along the “shaft-connecting rod- rocker-hull ”, and the possibility of transmitting a driving force creating a torque on the crankshaft had a“ piston-leash-connecting rod-shaft ”path, while the possibility of transmitting reactive force through the rocker is structurally limited by a fraction (0.90-0.94) due to the presence of small but necessary angular deviations (3.5-5.5 °) of the piston leash relative to the axis of the cylinder;
- точка расположения центра качания коромысла, угол сектора качания коромысла и длина коромысла выбираются так, чтобы центр нижней головки поводка поршня имел минимальное (3,5-5,5°) отклонение от оси цилиндра в крайнем верхнем угловом положении коромысла и в точке, лежащей на линии, перпендикулярной оси цилиндра и проходящей через центр качания коромысла, при этом на поршне остается возможность уравновешивания оставшейся (0,06-0,10) доли силы от действующего реактивного момента;- the location point of the rocker arm center of rotation, the angle of the rocker arm sector and the length of the rocker arm are selected so that the center of the lower piston lead head has a minimum (3.5-5.5 °) deviation from the cylinder axis in the extreme upper angular position of the rocker arm and at a point lying on a line perpendicular to the axis of the cylinder and passing through the center of swing of the rocker arm, while on the piston it remains possible to balance the remaining (0.06-0.10) fraction of the force from the current reactive moment;
- верхняя головка шатуна шарнирно соединена с коромыслом в одной из точек его поверхности, лежащих в ограниченной круговой области, с центром, совпадающим с центром шарнирного соединения нижней головки поводка поршня с коромыслом;- the upper head of the connecting rod is pivotally connected to the beam in one of the points of its surface lying in a limited circular region, with the center coinciding with the center of the swivel of the lower head of the piston leash with the beam;
- центр качания коромысла может быть снабжен регулирующим органом, изменяющим исходное угловое положение коромысла так, чтобы через свободу изменения начального положения поршня по высоте создать возможность изменения степени сжатия в рабочем цилиндре.- the center of swing of the rocker arm can be equipped with a regulatory body that changes the initial angular position of the rocker arm so that through the freedom to change the initial position of the piston in height create the possibility of changing the degree of compression in the working cylinder.
На Фиг.1 показана кинематическая схема первого варианта шатунно-коромыслового механизма, реализующего основную часть его преимуществ. На Фиг.2 показана кинематическая схема шатунно-коромыслового механизма с изображением круговой ограничительной области и зон возможного расположения центра шарнирного соединения шатуна с коромыслом относительно центра шарнирного соединения нижней головки поводка поршня. На Фиг.3 показана кинематическая схема второго варианта шатунно-коромыслового механизма, в котором центр качания коромысла соединен с органом управления и снабжен возможностью изменения своего положения в пределах рабочего диапазона регулирования исходного углового положения коромысла. На Фиг.4 показана конструктивная схема шатунно-коромыслового механизма, изображенного на Фиг.1. На Фиг.5 показана конструктивная схема шатунно-коромыслового механизма, в котором центры шарнирных соединений коромысла с шатуном и поводком поршня находятся на одном радиусе траектории возвратно-поступательного движения.Figure 1 shows the kinematic diagram of the first embodiment of the connecting rod-beam mechanism that implements the main part of its advantages. Figure 2 shows the kinematic diagram of the connecting rod and rocker mechanism with the image of a circular restrictive region and zones of the possible location of the center of the articulation of the connecting rod with the beam relative to the center of the articulation of the lower head of the piston leash. Figure 3 shows the kinematic diagram of the second variant of the connecting rod-rocker mechanism, in which the rocker center of the rocker is connected to the control body and is equipped with the ability to change its position within the operating range of regulation of the initial angular position of the rocker. Figure 4 shows a structural diagram of the connecting rod-beam mechanism depicted in figure 1. Figure 5 shows a structural diagram of the connecting rod-rocker mechanism, in which the centers of the articulated joints of the rocker arm with the connecting rod and the piston leash are located on the same radius of the reciprocating motion path.
Шатунно-коромысловый механизм в первом варианте (Фиг.1) изображен в положениях ВМТ, НМТ и состоит из поводка поршня (1), нижняя головка которого шарнирно закреплена на конце коромысла (2), а верхняя - в поршне (5); коромысла (2), имеющего сектор качания (α) относительно центра качания (Z) и два шарнирных узла крепления для шатуна (3) и поводка поршня (1); шатуна (3), нижняя головка которого шарнирно закреплена на кривошипе (4) (или пальце для прицепного шатуна), а верхняя - в коромысле (2); кривошипа (4) коленчатого вала; поршня (5).The connecting rod-rocker mechanism in the first embodiment (Fig. 1) is depicted in the positions of the top dead center and the bDC and consists of a piston lead (1), the lower head of which is pivotally mounted at the end of the beam (2), and the upper one - in the piston (5); a rocker arm (2) having a swing sector (α) relative to the swing center (Z) and two hinged attachment points for the connecting rod (3) and the piston leash (1); a connecting rod (3), the lower head of which is pivotally mounted on the crank (4) (or the pin for the trailed connecting rod), and the upper - in the beam (2); crank (4) of the crankshaft; piston (5).
Кинематическая осуществимость работы (геометрическая проворачиваемость) механизма определяется неравенством (по Фиг.1): ZO<R4+R2-2r.The kinematic feasibility of the work (geometric turnability) of the mechanism is determined by the inequality (in FIG. 1): ZO <R 4 + R 2 -2r.
Величины левого (e1) и правого (е2) отклонения центра нижней головки поводка (1) поршня на траектории углового перемещения конца коромысла (2) выбираются минимальными, с тем чтобы угол отклонения поводка (1) поршня находился в пределах 3,5-5,5°. Для этого согласованно подбираются размеры (R1, R3, l2, l3, е3) с учетом компоновочных ограничений.The values of the left (e 1 ) and right (e 2 ) deviations of the center of the lower head of the lead (1) of the piston on the path of the angular movement of the end of the rocker arm (2) are chosen to be minimal so that the angle of deviation of the lead (1) of the piston is within 3.5- 5.5 °. For this, the sizes (R 1 , R 3 , l 2 , l 3 , e 3 ) are consistently selected, taking into account the layout restrictions.
Возможные варианты расположения центра шарнирного соединения верхней головки шатуна (3) с коромыслом (2) относительно центра шарнирного соединения поводка (1) поршня с коромыслом (2) ограничены предельной круговой областью с радиусом (R5=0,4r) (См. Фиг.2) Границы зон в предельной круговой области образованы компоновочными и кинематическими ограничениями.The possible location of the center of articulation of the upper connecting rod head (3) with the beam (2) relative to the center of the articulation of the piston lead (1) with the beam (2) is limited by the limiting circular region with a radius (R 5 = 0.4r) (See Fig. 2) The boundaries of the zones in the limiting circular region are formed by layout and kinematic constraints.
Выбор отношения радиусов (R3/R4=j) расположения центров шарнирных соединений коромысла (2) с шатуном (3) и поводком (1) поршня определяет величину передаточного отношения (j) между значением двойного радиуса (2r) кривошипа (4) и действительным ходом поршня (Sh), где (Sh=2jr). Как правило, из-за компоновочных и кинематических ограничений выбираемое передаточное отношение для случаев (R3>R4) назначается не более j≤1,15, а для случаев (R3<R4) не менее j≥0,87.The choice of the ratio of the radii (R 3 / R 4 = j) of the location of the centers of the articulated joints of the rocker arm (2) with the connecting rod (3) and the piston lead (1) determines the gear ratio (j) between the double radius (2r) of the crank (4) and the actual piston stroke (S h ), where (S h = 2jr). As a rule, due to layout and kinematic limitations, the selected gear ratio for cases (R 3 > R 4 ) is assigned no more than j≤1,15, and for cases (R 3 <R 4 ) not less than j≥0,87.
Частный случай шатунно-коромыслового механизма, когда передаточное отношение выбирается равным (j=1), поясняет Фиг.5, где показана конструктивная схема варианта шатунно-коромыслового механизма, в котором центры шарнирных соединений шатуна (3) и поводка (1) поршня находятся на одном радиусе траектории возвратно-поступательного движения. В этом варианте все возможные точки центра шарнирного соединения шатуна (3) с коромыслом (2) находятся на отрезке дуги (а-а) (Фиг.2), а ход поршня (Sh=2r), если выбраны отклонения (е1=е3). В круговой области с (R5=0,4r) имеются «мертвые» участки, очерченные радиусами (R4=min) и (R2=min). На площади этих участков по величине радиуса (R4<min) или (R2<min) не выполняется условие кинематической осуществимости круговой циклической работы механизма. Ниже предельной точки (k) условие кинематической осуществимости не выполняется одновременно по двум радиусам (R2 и R4). Совокупность вариантов выбора расположения центров шарнирного соединения шатуна (3) и коромысла (2) в круговой области (R5=0,4r) создает возможность производства двигателей разного рабочего объема без создания типоразмерного ряда дорогостоящих деталей (например, поршней и коленчатых валов).A special case of the connecting rod-rocker mechanism, when the gear ratio is selected equal (j = 1), explains Figure 5, which shows a structural diagram of a variant of the connecting rod-rocker mechanism, in which the centers of the articulated joints of the connecting rod (3) and the piston lead (1) are on one radius of the trajectory of the reciprocating motion. In this embodiment, all possible points of the center of the articulation of the connecting rod (3) with the beam (2) are located on the arc segment (aa) (Figure 2), and the piston stroke (S h = 2r) if deviations are selected (e 1 = e 3 ). In the circular region with (R 5 = 0.4r) there are “dead” sections defined by the radii (R 4 = min) and (R 2 = min). On the area of these sections in terms of radius (R 4 <min) or (R 2 <min), the condition of kinematic feasibility of the circular cyclic operation of the mechanism is not satisfied. Below the limit point (k), the kinematic feasibility condition is not satisfied simultaneously along two radii (R 2 and R 4 ). The combination of options for the location of the centers of the articulated joint of the connecting rod (3) and rocker arm (2) in the circular region (R 5 = 0.4r) creates the possibility of producing engines of different working volumes without creating a standard number of expensive parts (for example, pistons and crankshafts).
В варианте шатунно-коромыслового механизма, изображенного на Фиг.3, первый вариант механизма, изображенного на Фиг.1, дополнен органом управления, который соединен с центром качания (Z) коромысла (2) и создает возможность изменения исходного углового положения коромысла (2) в пределах рабочего диапазона регулирования (β). Благодаря такому решению обеспечивается свобода изменения начального линейного размера камеры сгорания в рабочем цилиндре в пределах интервала Δ и, следовательно, создается диапазон регулирования степени сжатия. Однако полученный результат ограничивается неоптимальным угловым расположением коромысла (2) в положении ВМТ для цели изменения степени сжатия и его зависимостью от передаточного отношения (j). Поэтому пределы изменения степени сжатия шатунно-коромыслового механизма не выгодно задавать выше 35-40%, так как большие пределы ограничены возможностью существенного перераспределения сил от реактивного момента с коромысла (2) на тронк поршня (5), что уменьшает прирост механического КПД механизма на режимах с повышенными значениями степени сжатия.In the embodiment of the connecting rod and rocker mechanism shown in FIG. 3, the first version of the mechanism shown in FIG. 1 is supplemented by a control that is connected to the rocker center (Z) of the rocker arm (2) and makes it possible to change the initial angular position of the rocker arm (2) within the operating range of regulation (β). Thanks to this solution, freedom of change of the initial linear size of the combustion chamber in the working cylinder is ensured within the interval Δ and, therefore, a compression range is created. However, the result obtained is limited by the non-optimal angular arrangement of the rocker arm (2) in the TDC position for the purpose of changing the compression ratio and its dependence on the gear ratio (j). Therefore, it is not advantageous to set the limits for changing the compression ratio of the connecting rod-rocker mechanism above 35-40%, since large limits are limited by the possibility of a substantial redistribution of forces from the reactive moment from the rocker arm (2) to the piston tron (5), which reduces the increase in the mechanical efficiency of the mechanism in the modes with increased compression ratios.
Шатунно-коромысловый механизм работает следующим образом (Фиг.1, Фиг.4).The connecting rod-rocker mechanism works as follows (Figure 1, Figure 4).
В исходном положении перед началом прямого хода поршень (5) находится в ВМТ. Кривошип (4) и шатун (3) расположены на линии СО. Коромысло (2) занимает крайнее верхнее угловое положение. В следующий момент времени под воздействием давления газов в камере сгорания и поворота кривошипа вала (4) по ходу вращения поршень (5) начинает движение вниз. Конец коромысла (2) с которым шарнирно связан поводок поршня (1) описывает относительно центра качания (Z) в пределах угла (α) дугу окружности, которая на полном ходе (Sh) поршня (5) пересекает ось цилиндра в двух точках. Благодаря такому решению механизм не имеет вблизи ВМТ так называемого «эффекта ударной перекладки» - резкой смены направления и величины боковых усилий, передаваемых через поршень. Остающаяся на поршне (5) небольшая доля боковой силы (особенность данного типа механизмов) имеет один знак как при подходе к ВМТ, так и при удалении поршня от ВМТ, причем на первом участке движения поршня (5) вниз поводок поршня (1) плавно уменьшает свое отклонение от оси цилиндра с (e1) до (0), затем отклонение поводка поршня (1) плавно увеличивается до (е2) и далее на второй части хода поршня (5) отклонение поводка поршня (1) вновь уменьшается с (е1) до (0) и после второго пересечения оси цилиндра увеличивается до (е3). Аналогично изменяется и остаточная доля начальной боковой силы на поршне (5). Поэтому ее колебания воспринимаются мягко, а смена знака происходит в тех точках хода поршня, где он имеет значительную скорость, что обеспечивает плавную и бесшумную работу механизма.In the initial position, before the start of the direct stroke, the piston (5) is located at TDC. The crank (4) and the connecting rod (3) are located on the CO line. The rocker arm (2) occupies an extreme upper angular position. At the next time, under the influence of gas pressure in the combustion chamber and rotation of the crank shaft (4) in the direction of rotation of the piston (5) begins to move down. The end of the rocker arm (2) with which the piston leash (1) is pivotally connected describes, with respect to the center of swing (Z), within the angle (α), an arc of a circle that intersects the cylinder axis at two points at full stroke (S h ) of the piston (5). Thanks to this solution, the mechanism does not have near the TDC the so-called “shock shift effect” - a sharp change in direction and magnitude of lateral forces transmitted through the piston. The small fraction of lateral force remaining on the piston (5) (a feature of this type of mechanism) has the same sign both when approaching the TDC and when the piston is removed from the TDC, and in the first section of the piston (5) downward movement, the piston leash (1) gradually decreases its deviation from the cylinder axis from (e 1 ) to (0), then the deviation of the piston lead (1) gradually increases to (e 2 ) and then on the second part of the piston stroke (5) the deviation of the piston lead (1) again decreases from (e 1 ) to (0) and after the second intersection of the cylinder axis increases to (e 3 ). The residual fraction of the initial lateral force on the piston (5) changes similarly. Therefore, its vibrations are perceived softly, and a change of sign occurs at those points of the piston stroke where it has a significant speed, which ensures smooth and silent operation of the mechanism.
Первой важной особенностью работы изобретенного шатунно-коромыслового механизма является принцип передачи сил реактивного момента в процессе переносного движения. Боковые силы передаются через взаимодействующие опорные круговые поверхности шарнирных узлов коромысла (2), которое изменяет свое положение в пространстве по ходу движения поршня (Sh) вместе с нижней головкой поводка поршня (1) и верхней головкой шатуна (3) в пределах сектора качания (α). Использование принципа переносного движения по сравнению, например, с относительным движением ползуна примерно в три раза уменьшает площадь и скорость взаимного перемещения контактирующих круговых поверхностей в шарнирных узлах коромысла (2), снижая потери на трение.The first important feature of the work of the invented connecting rod and rocker mechanism is the principle of transfer of reactive moment forces in the process of portable movement. Lateral forces are transmitted through interacting supporting circular surfaces of the hinged nodes of the rocker arm (2), which changes its position in space along the piston (S h ) together with the lower head of the piston lead (1) and the upper head of the connecting rod (3) within the swing sector ( α). Using the principle of figurative motion in comparison with, for example, the relative motion of the slider reduces the area and speed of mutual displacement of the contacting circular surfaces in the hinged nodes of the rocker arm (2) by approximately three times, reducing friction losses.
Разгрузка поршня (5) от боковых сил пропорционально устраняет и теплоту трения, рассеиваемую в поршне и в системе охлаждения, обеспечивая снижение теплового сопротивления для основного теплового потока от днища поршня, что позволяет в бензиновых двигателях дополнительно повысить допустимую степень сжатия на 1,5-2 единицы или снизить октановое число применяемого топлива.Unloading the piston (5) from the lateral forces proportionally eliminates the friction heat dissipated in the piston and in the cooling system, providing a reduction in thermal resistance for the main heat flow from the piston bottom, which allows gasoline engines to further increase the permissible compression ratio by 1.5-2 units or reduce the octane rating of the fuel used.
Колебания шатуна и коромысла находятся в противофазе. Это значит, что коромысло в механизме одновременно выполняет роль, аналогичную роли балансирного вала. Поэтому двигатели с шатунно-коромысловым механизмом хорошо уравновешены.Fluctuations in the connecting rod and rocker arm are in antiphase. This means that the beam in the mechanism simultaneously performs a role similar to that of the balancer shaft. Therefore, engines with a crank-rocker mechanism are well balanced.
Движение элементов шатунно-коромыслового механизма за НМТ на обратном ходе, при дальнейшем вращения коленчатого вала, происходит в обратном порядке, и после прохождения ВМТ все описанные процессы прямого хода повторяются.The movement of the elements of the connecting rod and rocker mechanism behind the BDC on the reverse stroke, with further rotation of the crankshaft, occurs in the reverse order, and after the passage of the TDC, all the described forward-running processes are repeated.
Второй важной особенностью работы механизма по варианту Фиг.1 является то, что положение ВМТ и НМТ в нем диаметрально не совпадают. Такую коррекцию в траекторию движения вносит присутствие коромысла (2). В результате средняя скорость поршня на прямом ходе больше, чем на обратном. При выборе соотношений размеров звеньев механизма, ориентированных на получение максимального дополнительного хода поршня (Sh), коэффициент неравномерности по средней скорости прямого и обратного хода может достигать К=1,25. Для этого случая в зоне НМТ на угле поворота коленчатого вала около 40° ход поршня изменяется лишь на 1,1%, т.е. поршень в указанном диапазоне угла поворота вала практически останавливается («висит»). Отмеченные особенности снижают потери тепла в систему охлаждения в такте расширения и несколько увеличивают их в такте сжатия. Смещается положение точки предварения выпуска. Улучшается теплоиспользование в рабочем цикле и заметно повышается индикаторный КПД двигателя. Дозарядка цилиндра в такте всасывания выше. Однако при этом существенно увеличиваются значения ускорений поршня вблизи ВМТ. Поэтому проводятся конструктивные мероприятия, снижающие массу поршня и звеньев механизма или снижается выбираемое передаточное отношение (j) механизма, что приводит к уменьшению коэффициента неравномерности К по средней скорости и, следовательно, к снижению повышенных ускорений поршня.The second important feature of the operation of the mechanism according to the embodiment of FIG. 1 is that the position of the TDC and the BDC in it do not coincide diametrically. Such a correction to the trajectory of movement is made by the presence of the rocker arm (2). As a result, the average piston speed in the forward stroke is greater than in the reverse. When choosing the ratio of the sizes of the links of the mechanism, focused on obtaining the maximum additional stroke of the piston (S h ), the coefficient of unevenness in the average speed of the forward and reverse stroke can reach K = 1.25. For this case, in the BDC zone, at a crank angle of about 40 °, the piston stroke changes by only 1.1%, i.e. the piston in the indicated range of the angle of rotation of the shaft practically stops ("hanging"). The noted features reduce heat loss to the cooling system in the expansion cycle and slightly increase them in the compression cycle. The position of the pre-release point is shifted. The heat use in the working cycle is improved and the indicator engine efficiency is significantly increased. The cylinder charge in the suction stroke is higher. However, at the same time, the values of piston accelerations near TDC increase significantly. Therefore, constructive measures are taken to reduce the mass of the piston and the links of the mechanism or the selected gear ratio (j) of the mechanism is reduced, which leads to a decrease in the coefficient of unevenness K in average speed and, therefore, to a decrease in the increased acceleration of the piston.
Предельная круговая область возможного расположения центров шарнирных соединений шатуна с коромыслом имеет несколько зон (Фиг.2). Зона (1) центров шарнирного крепления шатуна лежит перед дугой (а-а) и в ней (R4<R3), поэтому она характеризует работу механизмов с увеличенным ходом поршня (Sh) по отношению к (2r) и обеспечивает приемлемые продольные размеры шатуна (R2). Зона 2 возможных центров шарнирного крепления шатуна лежит за дугой (а-а) и в ней (R4>R3), поэтому она характеризует работу механизмов с уменьшенным ходом поршня (Sh) по отношению к (2r) и также обеспечивает приемлемые продольные размеры шатуна (R2).The limiting circular region of the possible location of the centers of the articulated joints of the connecting rod with the beam has several zones (Figure 2). The zone (1) of the connecting rod centers of the connecting rod lies in front of the arc (aa) and in it (R 4 <R 3 ), therefore, it characterizes the operation of mechanisms with an increased piston stroke (S h ) with respect to (2r) and provides acceptable longitudinal connecting rod dimensions (R 2 ).
Зона 3 включает механизмы обеих разновидностей, но дает заниженные продольные размеры шатуна (R2), которые обычно стараются избегать, стремясь снизить действующие в шарнирных узлах нагрузки.
В варианте механизма по Фиг.3 регулирующий орган в процессе изменения положения центра качания (Z) изменяет исходное угловое положение коромысла (2) в пределах угла регулирования (β), что сопровождается смещением положения ВМТ и НМТ поршня вверх и приводит к изменению степени сжатия в цилиндре. Одновременно на круговой траектории движения центра кривошипа происходит сдвиг его НМТ. Она перемещается от положения НМТ к положению НМТ1, при этом наблюдается перераспределение скоростей поршня на прямом и обратном ходе в сторону снижения разницы в их средних значениях. Коэффициент неравномерности К по средней скорости прямого и обратного хода с ростом степени сжатия в цилиндре уменьшается.In the embodiment of the mechanism of FIG. 3, the regulatory body, in the process of changing the position of the center of swing (Z), changes the initial angular position of the rocker arm (2) within the angle of regulation (β), which is accompanied by a shift in the position of TDC and BDC of the piston up and changes the compression ratio in top hat. At the same time, on the circular trajectory of the movement of the center of the crank, its BDC is shifted. It moves from the position of the BDC to the position of the BDC 1 , while there is a redistribution of the piston speeds in the forward and reverse stages in the direction of reducing the difference in their average values. The unevenness coefficient K in terms of the average forward and reverse speed decreases with increasing compression ratio in the cylinder.
Освобождение поршня шатунно-коромыслового механизма от функции полной передачи боковых сил, образуемых реактивным моментом, и передача названной функции в основном боковому коромыслу, реализующему ее в переносном движении с передаточным отношением (j), позволило:The release of the piston of the connecting rod-rocker mechanism from the function of the complete transmission of the lateral forces generated by the reactive moment, and the transfer of the named function mainly to the side rocker, which implements it in a portable movement with the gear ratio (j), allowed:
- повысить механический КПД механизма до значений, равных (0,90-0,92), и обеспечить соответствующий прирост экономичности,- increase the mechanical efficiency of the mechanism to values equal to (0.90-0.92), and provide a corresponding increase in efficiency,
- заметно повысить индикаторный КПД двигателя за счет улучшения теплоиспользования в цикле с более выгодным законом изменения скоростей поршня на прямом и обратном ходе,- significantly increase the indicator efficiency of the engine due to improved heat use in the cycle with a more favorable law for changing piston speeds in the forward and reverse stages,
- улучшить условия работы поршневых колец и поршня и создать предпосылки для повышения ресурса цилиндропоршневой группы,- improve the working conditions of the piston rings and the piston and create the prerequisites for increasing the life of the cylinder-piston group,
- достигнуть более высокой уравновешенности механизма преобразования движения,- achieve a higher balance of the movement conversion mechanism,
- получить для модернизируемых двигателей дополнительный (до 15%) рабочий объем и, следовательно, дополнительную мощность (или, при организации продолженного расширения, дополнительную экономичность) без замены поршней, пальцев, шатунных болтов, шатунных вкладышей и таких дорогостоящих деталей, как коленчатый вал и блок-картер,- get an additional (up to 15%) working volume for the engines being upgraded and, therefore, additional power (or, when organizing continued expansion, additional economy) without replacing the pistons, pins, connecting rod bolts, connecting rod bearings and such expensive parts as the crankshaft and crankcase
- обеспечить совокупность вариантов выбора расположения центров шарнирного соединения шатуна и коромысла внутри предельной круговой области (R5=0,4r), создав возможность производства двигателей разного рабочего объема без расширения типоразмерного ряда деталей цилиндропоршневой группы,- to provide a set of options for the location of the centers of the articulated joints of the connecting rod and rocker arm within the limiting circular region (R 5 = 0.4r), creating the possibility of producing engines of different working volume without expanding the standard size range of cylinder-piston parts,
- за счет разгрузки поршня от боковых сил пропорционально устранить теплоту трения, рассеиваемую в поршне и в системе охлаждения, обеспечив снижение теплового сопротивления для основного теплового потока от днища поршня, что позволило в бензиновых двигателях дополнительно повысить допустимую степень сжатия (на 1,5-2 единицы) или снизить октановое число применяемого топлива,- due to the unloading of the piston from the lateral forces, it is proportional to eliminate the friction heat dissipated in the piston and in the cooling system, providing a decrease in thermal resistance for the main heat flux from the piston bottom, which allowed in gasoline engines to further increase the permissible compression ratio (by 1.5-2 units) or reduce the octane rating of the fuel used,
- создать возможность (35-40%) изменения степени сжатия рабочего цилиндра.- create the possibility (35-40%) of changing the compression ratio of the working cylinder.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007116335/06A RU2351784C2 (en) | 2007-05-03 | 2007-05-03 | Vorogushin's tie rod and rocker mechanism |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007116335/06A RU2351784C2 (en) | 2007-05-03 | 2007-05-03 | Vorogushin's tie rod and rocker mechanism |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007116335A RU2007116335A (en) | 2008-11-10 |
| RU2351784C2 true RU2351784C2 (en) | 2009-04-10 |
Family
ID=41015180
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007116335/06A RU2351784C2 (en) | 2007-05-03 | 2007-05-03 | Vorogushin's tie rod and rocker mechanism |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2351784C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2535590C2 (en) * | 2009-07-14 | 2014-12-20 | Конрад ХАЙМАННС | Crank drive |
| RU2671666C1 (en) * | 2016-05-17 | 2018-11-06 | Тойота Дзидося Кабусики Кайся | Balancing device for internal combustion engine |
-
2007
- 2007-05-03 RU RU2007116335/06A patent/RU2351784C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2535590C2 (en) * | 2009-07-14 | 2014-12-20 | Конрад ХАЙМАННС | Crank drive |
| US9464570B2 (en) | 2009-07-14 | 2016-10-11 | Konrad Heimanns | Crank drive |
| EP2454459B1 (en) * | 2009-07-14 | 2019-04-03 | Konrad Heimanns | Crank drive |
| RU2671666C1 (en) * | 2016-05-17 | 2018-11-06 | Тойота Дзидося Кабусики Кайся | Balancing device for internal combustion engine |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007116335A (en) | 2008-11-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5912360B2 (en) | Locking joint assembly | |
| CN1571884A (en) | Fully-controlled, free-piston engine | |
| RU2351784C2 (en) | Vorogushin's tie rod and rocker mechanism | |
| CN110392772A (en) | Internal combustion engine | |
| JP5287400B2 (en) | Radial plain bearing | |
| CN102734055A (en) | Oil cylinder driven power set | |
| US9556803B2 (en) | Internal combustion engine | |
| CN109630536A (en) | 20 cylinder diesel crankshaft of V-type | |
| CN209539810U (en) | 10 cylinder diesel crankshaft of V-type | |
| CN209539807U (en) | Twin-six crankshaft of diesel engine | |
| CN209539808U (en) | 18 cylinder diesel crankshaft of V-type | |
| WO2006061663A1 (en) | Double-row internal combustion engine, with wobble yoke mechanism | |
| CN209523989U (en) | 20 cylinder diesel crankshaft of V-type | |
| CN104285051A (en) | Piston assembly having offset bearing | |
| JP5478235B2 (en) | Reciprocating engine | |
| CN209523990U (en) | 16 cylinder diesel crankshaft of V-type | |
| CN109630538A (en) | 16 cylinder diesel crankshaft of V-type | |
| CN101660447B (en) | Novel stationary point free piston engine | |
| CN103256140A (en) | Piston type engine crank connecting rod mechanism | |
| CN101943059B (en) | Connection rod guiding reciprocating piston type internal combustion engine | |
| CN220551183U (en) | Piston structure of circular working cylinder | |
| CN202832959U (en) | Power device driven by oil cylinder | |
| RU2820580C1 (en) | Opposed crank gear | |
| KR102166541B1 (en) | Length-conversion connecting rods(Sungwoog's cycle) | |
| CN201763448U (en) | Connecting rod guide reciprocating piston type internal combustion engine |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090504 |