Двигатель внутреннего сгорания и кривошипный механизм

 

Использование: машиностроение, а именно двигатели внутреннего сгорания с оппозитным расположением цилиндров и их кривошипные механизмы. Сущность изобретения: пара оппозитных цилиндров 2 закреплена на картере 1, в цилиндрах 2 установлены подвижные втулки 3, снабженные днищами 4 и головками 5. Во втулках 3 между головками 5 и днищами 4 установлены поршни 6 с образованием рабочей 7 и подпоршневой 8 камер переменного объема. В картере 1 установлен кривошип 9 с шейкой и цапфами 11, связанный с днищем 4 одной из втулок 3 при помощи, например, шатуна 12. На цапфах 11 свободно установлены коромысла 13. В первом варианте выполнения двигателя одно плечо коромысел 13 шарнирно связано с жестко соединенными между собой втулками 3, а другое плечо- с жестко связанными между собой поршнями 6. Во втором варианте выполнения поршень каждого цилиндра 2 жестко соединен с втулкой 3 противоположного цилиндра 2, при этом одно плечо коромысла 13 шарнирно связано с одной парой поршень-втулка, а другое плечо - с другой парой. Кривошипный механизм содержит кривошип 9 с шейкой и цапфами 11, шарнирный элемент, например, шатун 12 с головкой, и эксцентрик, жестко связанный с шейкой и установленный эксцентрично относительно ее оси. Внутренний диаметр головки выполнен больше максимального расстояния между образующими цилиндрических поверхностей шейки и цапф 11, что дает возможность выполнить головку неразъемной. 2 с. 11 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий пары цилиндров с втулками, размещенные в них поршни, коромысла, установленные на оси и шарнирно соединенные с поршнями, и кривошип, связанный с поршнями при помощи шатуна (1).

Недостатком аналога является большие потери на трение из-за наличия боковой силы в термически напряженной паре поршень - втулка цилиндра при достаточно большом угле качения коромысла и шатунов, а также низкие удельные показатели двигателя.

Известен двигатель, содержащий картер, пару оппозитных цилиндров, соединенных с картером, установленные в цилиндрах втулки, снабженные головами и днищами, поршни, размещенные во втулках между днищами и головками с образованием в каждой втулке рабочей и подпоршневой камер переменного объема, кривошип с шейкой и цапфами, установленный в картере и соединенный с шарнирным элементом, и механизм газораспределения, причем поршни и втулки попарно жестко соединены между собой (2).

Недостатками прототипа являются высокие массогабаритные показатели при недостаточной надежности механизма преобразования.

Известен кривошипный механизм, содержащий кривошип с шейкой и двумя цапфами, и шарнирный элемент с головкой, расположенной вокруг шейки (3).

Недостатком прототипа является малая его надежность из-за необходимости выполнения головки шарнирного элемента разборной при неразборной конструкции кривошипа.

Целью изобретения является улучшение массогабаритных показателей и повышение надежности.

Поставленная цель достигается тем, что в известном двигателе втулки выполнены подвижными, днище одной из втулок соединено с шарнирным элементом, по меньшей мере на одной цапфе свободно установлено коромысло, одно плечо которого шарнирно связано по меньшей мере с одной втулкой, а другое плечо - с поршнем.

Цель достигается также тем, что втулка одного цилиндра жестко соединена со втулкой другого, а поршень одного цилиндра - с поршнем другого или поршень каждого цилиндра жестко соединен со втулкой противоположного цилиндра.

Цель достигается тем, что коромысло может быть установлено на каждой цапфе.

Цель достигается тем, что поршни могут быть соединены между собой при помощи пары штоков, расположенных в отверстиях днищ, а втулки - при помощи установленных между днищами штоковых пластин с прорезями, в которых размещен кривошип.

Цель достигается тем, что пары штоков могут быть расположены в плоскости, проходящей через продольную ось цилиндра.

Цель достигается тем, что коромысла могут быть связаны со штоками при помощи кулисных механизмов или сферических шарниров.

Цель достигается тем, что шарнирный элемент может быть выполнен в виде ползуна.

В части механизма цель достигается тем, что в известном механизме шейка снабжена жестко связанным с ней эксцентриком, установленным эксцентрично относительно оси шейки, при этом максимальное расстояние между образующими цилиндрических поверхностей шейки и цапф не превышает внутреннего диаметра головки шарнирного элемента, а последняя выполнена неразъемной и установлена на эксцентрике.

Цель достигается тем, что цапфы, шейка и эксцентрик могут быть выполнены заодно.

Цель достигается тем, что механизм может быть снабжен упорными кольцами, закрепленными на торцовых поверхностях эксцентрика.

Цель достигается тем, что шарнирный элемент может быть выполнен в виде шатуна.

На фиг. 1 представлена схема описываемого двигателя с противоположно движущимися поршнями; на фиг.2 - то же, с поршнями, жестко связанными между собой; на фиг. 3 - схема механизма в изометрии; на фиг.4 - разрез А-А на фиг.2; на фиг.5 - схема выполнения шарового шарнира; на фиг.6 - схема выполнения кулисного механизма; на фиг.7 - предлагаемый кривошипный механизм.

Описываемый двигатель содержит картер 1, пару оппозитных цилиндров 2, соединенных с картером 1, установленные в цилиндрах 2 втулки 3, снабженные головками 4 и днищами 5, поршни 6, размещенные во втулках 3 между днищами 5 и головками 4 с образованием в каждой втулке 3 рабочей 7 и подпоршневой 8 камер переменного объема, кривошип 9 с шейкой 10 и цапфами 11, установленный в картере 1 и соединенный шарнирно, например, при помощи шатуна 12, с днищем 5 одной из втулок 3. Втулки 3 при этом выполнены подвижными, на цапфах 11 свободно установлены коромысла 13, плечи которых связаны с втулками 3 и поршнями 6.

Втулка 3 одного цилиндра 2 может быть жестко связана с втулкой 3 другого, например, при помощи штоковых пластин 14 с прорезями 15, в которых расположен кривошип 9, а поршень 6 одного цилиндра 2 - с поршнем 6 другого при помощи пары штоков 16, расположенных в отверстиях днищ 5. При этом одно плечо коромысла 13 шарнирно связано с втулками 3, а другое - с поршнями 6.

В варианте выполнения двигателя поршень 6 каждого цилиндра 2 жестко соединен с втулкой 3 противоположного, например, при помощи пар штоков 16. При этом одно плечо коромысла 13 шарнирно связано со штоком 16 одной пары, а другое плечо - со штоком 16 другой пары. Пары штоков 16 расположены в плоскости 17, проходящей через продольную ось цилиндров 2.

Шарнирная связь коромысел 13 со штоками может быть выполнена в виде кулисных механизмов 18 или сферических шарниров 19.

Кривошипный механизм содержит кривошип 9 с шейкой 10 и двумя цапфами 11 и выполненный в виде шатуна 12 или ползуна (на чертеже не показан) шарнирный элемент с головкой 20, расположенной вокруг шейки 10, и эксцентрик 21, установленный эксцентрично относительно оси шейки 10 и жестко с ней связанный. При этом максимальное расстояние между образующими цилиндрических поверхностей шейки 10 и цапф 11 не превышает внутреннего диаметра головки 20, а последняя выполнена неразъемной и установлена на эксцентрике 21.

Цапфы 11, шейки 10 и эксцентрик 21 могут быть выполнены заодно.

Механизм может быть снабжен упорными кольцами 22, закрепленными на торцевых поверхностях эксцентрика 21.

Двигатель в варианте с противоположно движущимися поршнями работает следующим образом. Расширение рабочего тела, находящегося в рабочих камерах 7, преобразуется в перемещение головок 4 с втулками 3 и поршней 6 в противоположных направлениях. Возвратно-поступательное перемещение одной из втулок 3 преобразуется при помощи связанного с ее днищем 5 шатуна 12 и кривошипа 9 во вращение выходного вала (не показан), соединенного с цапфами 11. Движение указанной втулки 3 передается поршню 6 противоположного цилиндра 2 за счет их жесткой связи при помощи штоков 16, шарнирно соединенных с одним из плеч коромысла 13. Другие плечи коромысла 13 шарнирно соединены со штоками 16, связывающими жестко другую пару поршень 6 - втулка 3, что позволяет перемещаться им также в противоположных направлениях.

Указанное выполнение двигателя позволяет уменьшить радиальные габариты за счет уменьшения радиуса кривошипа 9 из-за выполнения втулок 3 подвижными, вследствие чего уменьшаются и осевые габариты, так как кривошип 9 размещается в поперечных габаритах цилиндра 2. Уменьшение радиальных габаритов способствует и уменьшение высоты поршня 6 из-за снижения на нем боковых нагрузок, воспринимаемых в описываемом двигателе втулкой 3, менее термически напряженной и поэтому надежно смазываемой. Кроме того, двигатель полностью уравновешен.

Наличие лишь одного кривошипа 9 позволяет повысить надежность механизма преобразования движения в части передачи им крутящего момента при относительной простоте рычажных механизмов, позволяющих передавать значительные усилия.

Двигатель в варианте с жестко связанными между собой поршнями работает следующим образом. Возвратно-поступательное перемещение жестко связанных между собой втулок 3 преобразуется при помощи шатуна 12, соединенного с днищем 5, во вращение цапф 11 кривошипа 9. Штоковые пластины 14, соединяющие днища 5 втулок 3, за счет шарнирной связи с плечами коромысла 13 передают движение жестко связанным между собой поршнями 6, шарнирно соединенным с другим плечом коромысла 13. Поэтому поршни 6 и втулки 3 перемещаются друг относительно друга в противоположные стороны.

Расположение пар штоков 16 в одной плоскости с осью цилиндров 2 позволяет снизить инерционные нагрузки на механизм.

Кривошипный механизм с эксцентриком 21 на шейке 10 позволяет выполнять головку 20 шарнирного элемента, например, шатуна 12 неразъемной. Тогда головку 20 продевают при сборке механизма через цапфу 11 и шейку 10 за счет выполнения внутреннего диаметра головки 20 большим расстояния между образующими цапфы 11 и шейки 10, и устанавливают головку 20 на эксцентрике 21, например, посредством подшипника (на чертеже не показан). При использовании в узле эксцентрика 21 подшипника качения, на торцевых поверхностях эксцентрика 21 могут быть закреплены упорные кольца 22 для фиксации осевого перемещения подшипника.

Таким образом, предложенное позволяет улучшить массогабаритные показатели двигателя за счет уменьшения его радиальных габаритов путем уменьшения радиуса кривошипа при неизменном рабочем ходе, уменьшения высоты поршня из-за снижения боковой силы и отсутствия продольных вырезов в цилиндре под поршневые пальцы, снижения осевых габаритов из-за размещения всего механизма преобразования в объеме цилиндра при минимальных его радиальных габаритах, а также позволяет повысить надежность двигателя из-за наличия лишь одного кривошипа в двухцилиндровом двигателе и простых рычажных преобразователей с минимальным углом их качания.

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер, по меньшей мере одну пару оппозитных цилиндров, соединенных с картером, установленные в цилиндрах втулки, снабженные головками и днищами, поршни, размещенные во втулках между днищами и головками с образованием в каждой втулке рабочей и подпоршневой камер переменного объема, кривошип с шейкой и цапфами, установленный в картере и соединенный с шарнирным элементом, и механизм газораспределения, причем поршни и втулки попарно жестко соединены между собой, отличающийся тем, что втулки выполнены подвижными, днище одной из втулок соединено с шарнирным элементом, по меньшей мере на одной цапфе свободно установлено коромысло, одно плечо которого шарнирно соединено по меньшей мере с одной втулкой, а другое плечо - с поршнем.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что втулка одного цилиндра жестко соединена с втулкой другого, а поршень одного цилиндра - с поршнем другого.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что поршень каждого цилиндра жестко соединен с втулкой противоположного цилиндра.

4. Двигатель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что коромысла установлены на каждой цапфе.

5. Двигатель по пп.1, 2 и 4, отличающийся тем, что поршни соединены между собой при помощи пары штоков, расположенных в отверстиях днищ, а втулки - при помощи установленных между днищами штоковых пластин с прорезями, в которых размещен кривошип.

6. Двигатель по пп.1 - 5, отличающийся тем, что пары токов расположены в плоскости, проходящей через продольную ось цилиндра.

7. Двигатель по пп.1 - 6, отличающийся тем, что коромысла связаны со штоками при помощи кулисных механизмов.

8. Двигатель по пп.1 - 6, отличающийся тем, что коромысла связаны со штоками при помощи сферических шарниров.

9. Двигатель по пп.1 - 8, отличающийся тем, что шарнирный элемент выполнен в виде ползуна.

10. Кривошипный механизм, содержащий кривошип с шейкой и двумя цапфами и шарнирный элемент с головкой, расположенной вокруг шейки, отличающийся тем, что снабжена жестко связанным с ней эксцентриком, установленным эксцентрично относительно оси шейки, при этом максимальное расстояние между образующими цилиндрических поверхностей шейки и цапф не превышает внутреннего диаметра шарнирного элемента, а последняя выполнена неразъемной и установлена на эксцентрике.

11. Механизм по п.10, отличающийся тем, что цапфы, шейка и эксцентрик выполнены заодно.

12. Механизм по пп.10 и 11, отличающийся тем, что он снабжен упорными кольцами, закрепленными на торцевых поверхностях эксцентрика.

13. Механизм по пп.10 - 12, отличающийся тем, что шарнирный элемент выполнен в виде шатуна.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7