Тронковый кривошипно-шатунный механизм со смещенным коленчатым валом и креплением поршня к шатуну через промежуточную деталь типа скобы для двигателей внутреннего сгорания
Тронковый кривошипно-шатунный механизм со смещенным коленчатым валом 2 и креплением поршня 5 к шатуну 6 через промежуточную деталь типа скобы 9 для двигателей внутреннего сгорания, предлагаемый в данной моделе, позволит сократить износ поршня 5 и цилиндра 3 за счет уменьшения силы, приложенной к оси пальца и действующей перпендикулярно оси цилиндра, во время рабочего хода. А применение промежуточной детали типа скобы 9 (из стали или чугуна), соединенной неподвижно винтами 7 с поршнем 5 (из алюминиевого сплава) и подвижно с шатуном 6 пальцем 8, позволит экономить до 40% алюминиевого сплава на производстве поршней, исключить неправильное, для условий высоких температур работы двигателя, соединение стального пальца 8 с алюминиевыми поршнями и заменить его более правильным соединением со стальной (или чугунной) скобой 9. Применение скобы 9 увеличит прочность днища поршня 5, теплоотвод от него, а также позволит снять поршень для ремонта, не снимая шатун с коленчатого вала. Отсутствие бобышек с отверстиями у поршня исключит его неравномерное расширение при нагреве, и, следовательно, исключит несимметричную механическую обработку его в производстве.
Область техники.
Полезная модель относится к производству тронковых двигателей внутреннего сгорания.
Уровень техники.
В настоящее время применяются тронковые кривошипно-шатунные механизмы без смещения оси коленчатого вала относительно оси цилиндра, внутри которого перемещается поршень, т.е. эти оси пересекаются, а поршни, изготовленные из алюминиевых сплавов, соединяются с шатуном стальным пальцем непосредственно. Аналогом может служить двигатель автомобиля ВАЗ-2108, описанный в книге «Двигатели внутреннего сгорания» под редакцией А.С.Орлина, М.Г.Круглова. Рабочий цикл любого двигателя внутреннего сгорания имеет такт сжатия горючей смеси и такт ее сгорания и расширения (рабочий ход). Давление газов в цилиндре во время рабочего хода в несколько раз больше, чем во время такта сжатия, соответственно больше и сила Р (см. фиг.5), с которой газы действуют на поршень, и сила К, с которой поршень через палец действует на шатун, и сила N, c которой поршень давит на цилиндр. На фиг.5 изображена схема механизма со смещением оси коленчатого вала относительно оси цилиндра на размер половины радиуса кривошипа коленчатого вала, которая предлагается в данной полезной моделе, но силы указанные на ней действуют и в механизмах без смещения коленчатого вала. Сила N при движении поршня 5 вдоль цилиндра 3 создает силу трения, что приводит к износу поршня и цилиндра, а также момент на плече L, который стремится опрокинуть двигатель, создает вибрацию. Сила N зависит от угла образованного векторами сил Р и К, и чем он меньше, тем меньше и сила N. В механизмах без смещения этот угол изменяется одинаково при такте сжатия и при такте расширения, хотя сила Р при такте расширения много больше, соотвественно больше и сила N. Если максимальный угол между силой Р и К уменьшить во время такта расширения (что означает уменьшить максимум силы N), за счет увеличения этого угла при такте сжатия, что несколько увеличит силу N во время этого такта, что можно сделать путем смещения коленчатого вала, то можно получить меньший износ цилиндров и поршней двигателя и меньшую его вибрацию. В современных двигателях смещения нет, что является их недостатком. Другим недостатком является соединение поршня изготавливаемого из алюминиевых сплавов со стальным шатуном непосредственно стальным пальцем. Алюминиевые сплавы и стали имеют разные коэффициенты термического расширения. Во время работы двигателя поршни нагреваются до 300 градусов по Цельсию и посадочные отверстия под пальцы в поршнях расширяются больше чем пальцы. Чтобы это не привело к стуку пальцев, отверстия делают меньшего размера, чем нужно для движения, с учетом что при нагревании они увеличатся до нормы. При сборке с пальцем поршень нагревают, а после охлаждения получается посадка с натягом. Соединение деталей работающих в широком диапазоне температур из разнородных материалов неправильно. Алюминиевые сплавы при рабочих температурах двигателя теряют 50% своей прочности, поэтому бобышки под отверстия для пальцев делают массивными, а это большой расход дорогого алюминиевого сплава. Снять поршень для ремонта или замены можно только с шатуном, отсоединив его от коленчатого вала. Что является очень трудоемким процессом.
Раскрытие полезной модели.
Предлагаемая полезная модель направлена на устранение отмеченных выше недостатков и представляет из себя тронковый кривошипно-шатунный механизм, в котором, с целью снижения сил трения при движении поршня 5 в цилиндре 3 и уменьшения опрокидывающего двигатель момента (он равен произведению размера плеча L на силу N), положение оси коленчатого вала 2 смещено от оси цилиндра 3 влево, если смотреть на торец кривошипа коленчатого вала 2, вращающегося по часовой стрелки, на размер
равный половине размера радиуса кривошипа - 0.5R (см. фиг.1 и 5). Это даст уменьшение угла между вектором силы P (нагрузка на поршень) и вектором силы К (составляющей ее на шатун 6) во время такта расширения (рабочего хода) и соответственно уменьшение силы, направленной перпендикулярно движению поршня (сила N), и соответственно уменьшит износ поршней и цилиндров, снизит вибрацию двигателя.
Поршень 5, он изображен отдельно на фиг.3, не имеет бобышек с отверстиями под палец (это снижает его массу) и соединяется неподвижно винтами 7 с промежуточной деталью 9 типа скобы, она изображена отдельно на фиг.4. Скоба 9 (материал сталь или чугун) соединяется пальцем 8 с шатуном 6. Эта конструкция даст следующие преимущества: устраняется неправильное соединение алюминиевого поршня 5 со стальным пальцем 8, вводится правильное соединение промежуточной детали 9 с шатуном 6 пальцем 8, прочность днища поршня увеличена скобой многократно и улучшилось его охлаждение, экономия алюминиевого сплава (до 40%), можно снять поршень для ремонта, не снимая шатун, отсутствие массивных бобышек в поршне исключит несимметричное расширение его при нагреве в двигателе, а значит исключит несимметричную его механическую обработку в производстве. Сумма масс нового поршня и скобы не будет превышать массу поршня старой конструкции.
Описание чертежей и работы механизма.
На фиг.1 изображен предлагаемый тронковый кривошипно-шатунный механизм. Коленчатый вал 2 установлен в опорах 1 смещенных относительно оси цилиндра 3 на размер половины радиуса кривошипа - 0.5R (R - радиус кривошипа коленчатого вала). На шейке кривошипа закреплен шатун 6, который с другой стороны соединен подвижно пальцем 8 (см. фиг.2) со скобой 9 (она отдельно изображена на фиг.4), которая неподвижно винтами 7 соединена с поршнем 5 (он отдельно изображен на фиг.3). В двигателе механизм работает от сил создаваемых расширяющимися газами, образующимися в результате горения горючей смеси, поступающей в цилиндр 3 через клапаны 4. На фиг.5 изображена условная схема механизма с указанием основных сил действующих в нем, имеющих отношение к предлагаемой моделе.
Осуществление полезной модели.
Внедрение полезной модели не представит трудностей, так как в ней использованы обычные конструкторские приемы и решения, проверенные временем.
Тронковый кривошипно-шатунный механизм двигателя внутреннего сгорания, содержащий коленчатый вал на опорах, шатун, палец, поршень, цилиндр, клапаны, отличающийся тем, что ось коленчатого вала смещена относительно оси цилиндра влево, если смотреть на торец кривошипа коленчатого вала вращающегося по часовой стрелке, на размер, равный половине радиуса кривошипа, а поршень из алюминиевого сплава упрощенной и облегченной конструкции, без бобышек с отверстиями под палец, неподвижно соединен винтами с промежуточной деталью типа скоба из чугуна или стали, которая пальцем соединена с шатуном.
