Кривошипно-шатунний механізм

МПКС F f€C З/ОН ОПИС ВИНАХОДУ КРИВОШИГІНО-ШАТУННИЙ МЕХАНІЗМ І.Галузь техніки, до якої належит ь винахід Винахід належить до іалузі машинобудування і може бути застосованим в пристроях, машинах, двигунах та системах, що використовують кривошипношатунні механізми ( КШМ) з монолітними ( суцільними , нероз'ємними ) колінчастими валами, наприклад, в двигунах внутрішнього зі орання (ДВЗ), компресорах,помпах, ковальсько-пресовому обладнанні, металообробних верстатах, поршневих парових двигунах тощо. Такі механізми описані в "Справочнике машиностроителя» .-Машиностроение, М.: Изд. 1951, 1976, 1989, r.i. 1 , 2, га шш. Найважливішою галуззю застосування КШМ є ДВЗ, поршневі помпи та компресори. 2. Рівень техніки На цей час у машинобудуванні застосовуються КШМ з роз'ємними підшипниками ковзання па шатунних та проміжних опорних шийках колінчасіого вала у всіх випадках, коли цей вал виготовлено нероз'ємним. Нероз'ємні підшипники ковзання, або кочення встановлюються тільки на кінцевих опорах нероз'ємних колінчастих валів та на всіх шийках роз'ємних колінчастих валів, описаних, наприклад у каталозі німецької фірми 1NA на стор.70 ( "Подшипники качения". INA, З05.-Каіалоі. ФРІ . Вольцлагеркг, 1991 ). Гака технологія доцільна для колінчастих валів малопотужних одноциліндрових ДВЗ , інших одношатунних КШМ, наприклад, в лабораторних поршневих компресорах, мотоцикле [них двигунах тощо. Колінчастий вал в таких механізмах і машинах виготовляється роз'ємним і складається з кількох окремих деталей . шийок, шипів, елементів з'єднання. Але такі конструкції колінчастих валів не набули застосування в КШМ машин великої потужності, наприклад, в автомобільних, авіаційних, корабельних ДВЗ, інших потужних механізмах, тому що туї потрібно засі осовувати 2 багатоколіниі колінчасті вали . Л багатоколінпий роз'ємний колінчастий вал , на який можна встановити нероз'ємш підшипники кочення, матиме іаку велику масу, або такі параметри прогинання відносно осі обертання, що його застосування стане недоцільним , або, у кращому випадку, пеконкурентним з КШМ на основі нерозумного колінчастого вала з підшипниками ковзання. Монолітний колінчастий вал великої'довжини має проміжні опорні шийки, якими він встановлюється на проміжні опори корпусу відповідної конструкції для запобігання прогинанню відносно осі обертання. Із-за конструкційної неможливості встановлення на шатунні іа проміжні опорні (корінні) шийки нероз'ємного колінчастого вала нероз'емних підшипників кочення ( а роз'ємні підшипники кочення для КШМ з монолітним колінчастим валом невідомі ), в них застосовуються роз'ємні підшипники ковзання . Такі КШМ описані, наприклад, в книгах : 1. МАЗ. Руководство по эксплуатации.- М., Третий Рим, 1997. є.8. 2. КАМАЗ.Устройство и эксплуатация .-М.Дретий Рим,1997, с.10,11. 3. Автомобили BMW. Серия 3. Руководство по ремонту.- М., 1997, С.49,94. Ці, та подібні їм КШМ автомобільних, корабельних, авіаційних ДВЗ, компресорів, ковальсько-пресових та інших машин мають такі спільні ознаки як монолітний колінчастий вал та роз'ємні підшипники ковзання на всіх шатунних та корінних проміжних опорних шийках і розглядаються нами як аналоги. Прототипом винаходу є КШМ, описаний в книзі; 4. Лебедев О. Н., Калашников С А. Судовые энергетические установки и их эксплуатация.М.транспорт, 1987,с.71-83 .Конструкційні елементи прототипу мають свої аналоги у всіх інших КШМ . Головним недоліком прототипу є наявність в ньому підшипника ковзання , у якого коефіцієнт тер і я значно більший ніж у підшипника кочення. Із-за цього значно зменшується коефіцієнт корисної дії КШМ. За відомими даними, коефіцієнт тертя у підшипника ковзання у 40 50 разів більший ніж у підшипника кочення в аналогічних умовах експлуатації. ( Див. "Справочник з металлиста.-М., Машиностроение, 1976, т і , є.44). Крім цього, підшипник ковзання суттєво обмежус швидкісні параметри колінчастого вала КПІМ із-за нелінійного зростання температури від тертя па шийках при збільшенні частоти обертання цьої о вала , що значно ускладнює всю конструкцію машини з таким КШМ із-за потреби у додаткових складних системах змащування та охолодження елементів тертя в КШМ . Все це зменшує моторесурс машин і механізмів з таким КШМ, знижує його надійність, збільшує експлуатаційні витрати і вартість машин з КШМ, тобто знижує ефективність вцілому цих машин і механізмів. Заміна підшипника ковзання на підшипник кочення в КШМ з монолітним колінчастим валом веде до цілого ряду позитивних гехніко-економічних ефектів і практичної ліквідації вказаних вище недоліків КШМ з підшипником ковзання. Найбільш суттєвими позитивними ефектами можна вважати збільшення моторесурсу, надійності і коефіцієнта корисної дії, спрощення систем охолодженая і змащування підшипників і деталей КШМ, спрощення конструкції колінчастого вала, збільшення питомої потужності ДВЗ шляхом збільшення частоти обертання колінчастого вала при незмінній масі ДВЗ - показника, що визначається відношенням потужності двигуна до його маси , спрощення експлуатації та ремонту, покращення екологічноеп із-за зменшення відходів мастил та зменшення витрат палива у ДВЗ. 3. Суть винаходу та суттєві ознаки В основу винаходу поставлено задачу удосконалення КШМ з монолітним колінчастим валом шляхом застосування роз'ємного підшипника кочення на шатунних та проміжних опорних шийках колінчастого вала з одночасним використанням елементів КШМ як конструкційних елементів цього підшипника, що дозволяє забезпечити розширення діапазону використання КШМ, збільшення : коефіцієнта корисної дії, допустимої частоти обертання колінчастого вала, надійності, довговічності, ресурсу, еколопчності, технологічності, зменшення: 4 маси та розмірів, коефіцієнта тертя на шатунних та корінних проміжних опорних шийках, витрат мастил, енергоносіїв, експлуатаційних витрат, спрощення: систем охолодження та змащування підшипників , спрощення експлуатації всього КШМ з мінімальними змінами його конструкції. Винахід може застосовуватись як для модернізації вже існуючих КШМ машин і механізмів, що знаходяться в експлуатації ( а одних тільки автомобільних двигунів з КШМ у світі експлуатується кілька сотень мільйонів штук), так і при виготовленні нових машин і механізмів з КШМ, що включає в себе монолітний колінчастий вал . Суть винаходу полягає в наступному. На шатунну та проміжну опорну корінну шийку монолітного колінчастого вала КШМ встановлюються тіла кочення підшипника ( роликові, чи кулькові) в роз'ємному сепараторі, або насипом ( без сепаратора). Функцію внутрішньої бігової доріжки та внутрішнього конструкційного кільця цього підшипника виконує суцільна поверхня відповідної шатунної та корінної шийки колінчастого вала. Верхнє конструкційне кільце з відповідною біговою доріжкою підшипника утворюється корпусом шатуна та шатунною кришкою - для шатунного підшипника, а для корінного підшипника - корпусом відповідної проміжної опори колінчастого вала та її кришкою. У прототипа цього КШМ кришка з шатуном та проміжна опора колінчастого вала з відповідною опорною кришкою стикуються так, що лінія стику проходить під прямим кутом до вектора лінійної швидкості будь-якої точки на поверхні відповідної шийки колінчастого вала КШМ. Для підшипника ковзання це не грає негативної ролі . Ллє це не дозволяє так же просто встановити на шийки колінчастого вала КШМ кулькові, чи роликові тіла кочення, тому що нри проходженні цими тілами кочення ліній стику названих частин КШМ відбуватимуться удари тіл кочення по стику , Причиною таких ударів є ге, що для роликового тіла кочення контакт поверхні цього тіла з лінією стику буде 5 одночасно розриваіись по всій довжині твірної лінії тіла кочення , тобто співударяння співпадатиме з лінією стику при проходженні її роликовим тілом кочення . Для кулькового тіла кочення ситуація аналогічна, тільки лінія співударяння буде мати форму відрізка дуги з кривизною, що рівнятиметься кривізні дуги на поверхні тіла кочення. КШМ з такими підшипниками швидко зруйнується і стане недієздатним . І Іринциповою відзнакою винаходу с те, що для ліквідації ударного ефекту тіла кочення підшипника кочення в КШМ на стиках роз'емної бігової доріжки ( кришки з шатуном - для шатунного підшипника, та кришки з опорою - ддя проміжного корінного опорного підшипника) ця лінія стику проходить під непрямим кутом до вектора лінійної швидкості тіла кочення підшипника у всіх точках проходження тілом кочення лінії стику. В такому випадку лінія контакту тіла кочення ( роликового, чи кулькового) з лінією стику відповідно опорної кришки з опорою і а шатунної кришки з шатуном перетинатиметься лише в одній точці у будь-який момент проходження цим тілом кочення лінії стику на біговій доріжці. Це означає, що лінія контакту тіла кочення з поверхнею відповідної бігової доріжки розривається тільки в одній точці з нескінченої множини точок контакту при проходженні ним лінії стику , тобто цей миттєвий розрив лінії контакту і їла кочення з доріжкою лише в одній точці контакту не відчуватиметься ніякою з частин пари " тіло кочення- роз'ємна бігова доріжка підшипника". Значить це не впливатиме на механічні та швидкісні параметри підшипника і КШМ вцілому. Практично і теоретично, запропонований спосіб стику бігової доріжки підшипника кочення забезпечує ефект суцільності ( віртуальність) поверхні цієї доріжки . Для випадків, коли матеріал, з якого виготовлено шатун з кришкою та ( або) опора з кришкою за своїми фізико-хімічними властивостями не дозволяє виготовити на їх охоплюючих тіла кочення поверхнях бігові доріжки підшипника кочення, верхнє кільце з бііовою доріжкою підшипника відповідної технологічної якості робиться 6 окремо і роз'ємним . Його иівдугові частини вставляються в пару ьСшат>н - кришка" та "опора кришка " так, що охоплюють кільцем зверху тіла кочення підшипника, а стикуються теж таким чином, що лінія стику на поверхні бігової доріжки цього кільця утворює непрямий кут з вектором лінійної швидкості тіла кочення у всіх точках проходження тілом кочення лінії стику доріжки кочення на кільці підшипника. В такому випадку верхнє кільце підшипника складається з двох півкілець, тобто матиме дві лінії стику, що відповідатимуть вищеназваним вимогам непрямого кута між лінією стику та вектором лінійної швидкості тіла кочення підшипника . Це кільце, в залежності від конкретних технологічних та конструкторських умов , може виготовлятись з відрізка тонкої металевої, або композитної стрічки, обробленої у відповідності з експлуатаційними вимогами до бігової доріжки підшипника кочення в конкретному КПІМ , згинатись в коло навкруги тіл кочення відповідного підшипника і стикуватись під непрямим кутом навколо шийки колінчастого вала з закріпленими на ній тілами кочення ( у роз'ємному сепараторі, чи без сепараюра), а зверху фіксуватись охоплюючою цей підшипник парою ''шатун-кришка'1, чи " опора-кришка" . Для додаткового запобігання прокручуванню роз'ємного верхнього кільця підшипника воно може мати спеціальні фіксатори, конструкції яких відомі. В такому ж випадку, при застосуванні роликового підшипника в КШМ, верхнє кільце цього підшипника може виготовлятись з відрізка вузької стрічки матеріалу з потрібними для підшипника характеристиками та навиватися у кілька витків навколо закріплених на шийці колінчастого вала ( в роз'ємному сепараторі, чи без сепаратора) роликових тіл кочення. В цьому випадку теж виконується вимога щодо непрямого кута перетину лінії стику ( лінії дотику витків) верхньої бігової доріжки з вектором лінійної швидкості тіла кочення підшипника.Таким чином, практично для будьякого КШМ знероз'ємним колінчастим валом винахід дозволяє викорис і овуваі и 7 підшипники кочення, а значить досягти тих ефектів, які вказані вище у поріїшянні з прототипом. Наприклад, автомобільні, корабельні, авіаційні ДВЗ матимуть значно більший моторесурс та надійність і довговічність , тому що одним з основних елементів, що знижує вказані характеристики у існуючих ДВЗ є підшипники ковзання в КШМ . Система змащування КШМ спрощується, тому що при застосуванні винаходу запропоновані в ньому підшипники кочення можуть виготовлятись з відомими індивідуальними ( автономними) засобами самозмащування. В такому випадку значно зменшується потреба в мастилах, а значить зменшується обсяг відпрацьованих мастил, що попадають у навколишнє середовище. Підшипники кочення значно менше нагріваються , маючи менший ніж у підшипників ковзання коефіцієнт тертя . Це дозволить суттєво спростити систему охолодження КШМ. Особливість винаходу полягає в тому, що в ньому конструкційно, технологічно і функціонально задіяні практично всі основні елементи КШМ ; колінчастий вал, шатунні та опорні корінні проміжні шийки цього вала, кришки шатунів, кришки опор, що виконують функції різних елементів підшипників кочення, які встановлюються на шийки колінчастого вала КШМ. Це пов'язано з роллю підшипників у КШМ як з'єднуючих елементів колінчастого вала з шатунами та корпусом машини, чи механізму, у яких використовується цей КШМ. Одночасно це є підтвердженням коректності назви винаходу. 4 .Перелік фігур, креслень На фіг. І показано : 1 колінчастий ваш з віссю обертання "ОО", на шатунній шийці 2 котрого, та корінній проміжній шийці 3 встановлено підшийники з тілами кочення 4, які на шатунній шийці 2 охоплюються шатуном 5 з кришкою 6, а на корінній шийці 3 - опорою 7 з опорною кришкою 8, які відповідно з'єднуються з допомогою конічного штифта 9 з гайкою ІО , що забезпечує точну фіксацію роз'ємних частин доріжки кочення підшипника по лінії стику ] 1. 11а фіг. 1 показано лінію стику 11 шатуна 5 з шатунною кришкою 6. Аналогічно 8 стикується uuopa 7 Ї кришкою 8 на проміж.пй опорній шийці колінчаеюі о вала КШМ ! їла кочення 4 всіановлююіься на шийки колінчастою вала І з допомогою роз'ємного і нучкого сепаратора 12, показаною на фп 2, який, після одягнення на шийку колінчастого вала 1 КШМ , замикається навколо шийки фіксаторами 13 В пішому варіанті, показаному на фіг 3, сепаратор складається з двох швдугових частин 14, які мають замок \5 та шарнір 16 і фіксуються замком 15 після одягнення на шийку колінчастого вала Функцію внутрішньої о конструкційного кільця з внутрішньою бітовою доріжкою підшипника будуть виконувати відповідно суцільні поверхні 17 та 18 шийок 2 та 3, а функцію зовнішнього кільця з зовнішньою біговою доріжкою підшипника будуть виконувати зістикиваш поверхні 19 та 20 відповідно шатуна 5 з кришкою 6 та опори 7 з кришкою 8 На фіг 4 показано приклад викорисіання багагорядного кулькового роз'ємного підшипника, де тіла кочення 21 у роз'ємному сепараторі 22 охоплюються вставним роз'ємним кільцем 23 на якому виготовлені відповідні бігові доріжки 24 Кількість цих бнових доріжок визначається конструктором КШМ Сепаратор 22 може бути роз'ємним , аналогічно сепаратору на фіг 2, чи фіг 3 , або кульки можуть встановлюватись насипом, без сепаратора Таким же чином , як на фіг 4 може встановлюватись роз'ємне зовнішнє кільце роликової о підшипника КШМ Як для роликового підшипника, фіг І, так і для кулькового , фіг 4, лінія стику 13 роз'ємних часіин бігової доріжки повинна утворювати непрямий кут з вектором лінійної швидкості тіла кочення 4 на відповідній би овій доріжці, що показано на фп 5 , де Ао непрямий кут лінії стику 11 з вектором лінійної швидкості V ролика 4, а на фіг 6 Во - непрямий кут між лінією стику 11 іа вектором VI лінійної швидкості кульки 21 на біговій доріжці 23 На фіг фіг 5 та 6 наочно показано , що при проходженні тілом кочення лінії стик) твірна тіла кочення матиме в кожний момент руху через лінію стику тільки одну спільну І нею точку розриву кошакту ліній під непрямим кутом На фіг 7 дано точку перетину цих 9 варіант зовнішньої о навивного кыьця з зовнішньою біговою доріжкою роликового підшипника, яке виготовляється шляхом навивання стрічки 25 на шийку 2 чи З колінчастого вала 1 з попередньо закріпленими на ній роликовими . 5.Шдтвердження можливості здійснення винаходу Широке застосування у пракгиці машинобудування прототипу КШМ з підшипниками ковзання гарантує не менш широке застосування винаходу нового і ефективнішого КШМ з підшипниками кочення . КШМ, як показано на фіг І, складається з нерозумного колінчастого вала 1 з шатунними шийками 2 та корінними шийками 3, навколо котрих встановлені тіла кочення 4. Колінчастий вал ] встановлено корінними опорними проміжними шийками 3 на опори 7 . Зверху тіла кочення на відповідних шийках колінчастого вала І охоплені поверхнями пар "шатун 5 - кришка 6*' та "опора 7 - критика 8" . Пари "шатун-кришка" та"опора-кришка" зістиковані так, як показує лінія стику 11 на фіг. фіг .1 ,4,5,6. Тіла кочення закріплені у роз'ємному гнучкому сепараторі 12, фіг.2, чи сепараторі 14 з шарніром 16 на фіг. З, який після одягання на шийку колінчастого вала фіксується відповідним замком ІЗ, чи 15 . Внутрішнім конструкційним кільцем підшипника з доріжкою кочення відповідно 17 та 18 є суцільна поверхня шийки 2 , чи З колінчастого вала І, фіг І. Зовнішнє конструкційне кільце з відповідною доріжкою кочення 19 та 20 утворюється охоплюючими шийки колінчастого вала поверхнями відповідно пар "шатун-шатунна кришка" та "опора-опорна кришка1', фіі.1 , На фіг 4 показано приклад для підшипника з кульковими тілами кочення 21 в сепараторі 22 з роз'ємним кільцем 23 та біговими доріжками 24 на ньому. Варіант для роликового підшипника з навивним зовнішнім кільцем із стрічки 25 дано на фіг. 7 . У всіх варіантах роз'ємних конструкцій зовнішнього кільця підшипника кочення КШМ обов'язковою умовою є непрямий кут між лінією стику та вектором лінійної швидкості тіл кочення, що показано на фіг. 5 та фіг. 6. Підшипники КШМ з автономними засобами самозмащування встановлюю і ы 10 у відповідності до технологічних умов монтажу цих підшипників . КПІМ діє наступним чином : при обертанні навколо осі "ОО " колінчастого вала 1 тіла кочення 4 прокочуються поверхнями бігових доріжок 17 та 18 відповідних шийок 2 та 3 . Одночасно ці тіла кочення пробігають поверхнями відповідних роз'ємних зовнішніх бігових доріжок 19 та 20 ,які мають стики 11. Так як лінії стику 11 у всіх випадках, що стосуються винаходу, виконані відповідно до умов, показаних на фіг.фіг. 5 та 6, то ніяких ударних ефектів для тіл кочення , доріжок, шийок колінчастого вала і всього КШМ на цих стиках не буде і КПІМ діятиме так, як будь-то зістиковані доріжки кочення у його підшипниках суцільні, тому що тіла кочення 4 та 21 , проходячи стик 11 матимуть в кожний момент перекочування через стик всього одну точку розриву лінії коїїтакту тіла кочення з поверхнею бігової доріжки, що не впливатиме на якість цього контакту і якість роботи підшипників і КШМ вцілому . Таким чином ліквідована проблема ударного ефекту тіла кочення на стиках роз'ємної доріжки кочення підшипника кочення КШМ і створена можливість заміни в КШМ з монолітним колінчастим валом підшипників ковзання на більш ефективні підшипники кочення без зміни конструкції колінчастого вала КШМ . Це стосується як діючих в експлуатації КШМ, так і КШМ для нових машин та механізмів з монолітним колінчастим валом . L±(ISI UJL; пно -МЮ т_уни.и й /чеха. f-/c 3 м А Ігор и: Гарбар г^ Д трєи. г о п-(-/О 22 \ 2± і З H / 23 \ фіг. ч X \ ^ _ ^ __________ . 1 V ФіП 5 Фіг в Фіг. ; Гар5ар*/чк ВМ П-стренко А, г і f