Силовий механізм чотирициліндрового двигуна внутрішнього згоряння

1. Силовий механізм чотирициліндрового двигуна внутрішнього згоряння, що має два зв'язаних зубчастою передачею рівнобіжних колінчатих вали з щоками, на яких розташовані консольні кривошипи, що несуть на собі шатуни, зв'язані з циліндро-поршневими групами двигуна, які розташовані в два ряди по дві у кожному ряду, який відрізняється тим, що кожний колінчатий вал виконаний збірним і складається з двох ідентичних половин, кожна з яких поєднує в собі щоку з консольним кривошипом і половину корінної шийки, щока та C2 1 3 85325 прямку осі колінчатого валу. Опозитна схема чотирициліндрового двигуна внутрішнього згоряння значно краще урівноважена, чим рядна і дозволяє вкоротити колінчатий вал і картер. Також опозитна схема дозволяє використовувати циліндри значно більшого обсягу, чим рядна і вибирати найбільш вигідне відношення ходу поршня до діаметра циліндра. Картер опозитного двигуна неважко зробити жорстким і легким. У порівнянні з рядною схемою чотирициліндрового двигуна внутрішнього згоряння, в опозитній схемі присутні дві групи циліндрів із своїми голівками. Відповідно, збільшується кількість деталей. Опозитний двигун відрізняється великою габаритною шириною, що в багатьох випадках утр удняє компонування моторного відсіку. Технологічність опозитного двигуна в загальному випадку нижче, ніж рядного. Чотирициліндрові двигуни внутрішнього згоряння виконуються також за V-подібною схемою. У цьому випадку двигун ви ходить таким же коротким, як опозитний і незначно ширше, ніж рядний, картер і колінчатий вал жорсткі. Однак V-образний чотирициліндровий двигун внутрішнього згоряння погано урівноважений і для досягнення прийнятного рівня вібрацій при роботі, навіть при невеликих циліндрах вимагає застосування балансирного валу, що обертається з тією же частотою, що і колінчатий вал. Також як і опозитний, чотирициліндровий двигун внутрішнього згоряння, має два блоки по два циліндра в кожному, що позначається на трудомісткості і собівартості виробництва. Існує можливість збереження переваги рядного чотирициліндрового двигуна внутрішнього згоряння, яка виражається в наявності загального блоку чотирьох циліндрів із загальною голівкою, при значно кращій урівноваженості, вільному виборі відношення ходу поршня до діаметра циліндра, компактної і жорсткої конструкції картера і силового механізму. Конструктивні особливості такого чотирициліндрового двигуна вн утрішнього згоряння розкриті в наступному прикладі. Відомий чотирициліндровий двигун внутрішнього згоряння, що містить чотири циліндри, розташовані в два ряди по два циліндра в кожному ряду (мотоцикл Ariel Square Four OHV, http://en.wikipedia.org/wiki/Ariel_Square_Four). Силовий механізм цього двигуна містить два рівнобіжних колінчатих вали, зв'язаних між собою зубчастою передачею. Шeстерні зубчастої передачі знаходяться на одному з кінців кожного колінчатого валу. Вільний кінець одного з колінчатих валів призначений для зняття обертального моменту Кожен колінчатий вал обслуговує два циліндри і має два кривошипи, розташовані через 180 градусів. Колінчаті вали обертаються у взаємно протилежних напрямках Кожна половина силового механізму відповідає двоциліндровому рядному двигун у вн утрішнього згоряння При розташуванні двох кривошипів через 180 градусів, колінчатий вал статично урівноважений, однак, двоциліндровий двигун такої схеми урівноважений гірше чотирициліндрового При роботі в чотиритактному циклі такий двоциліндровий двигун має нерівномірні 4 спалахи Сполучення двох названих двоциліндрових силових механізмів в одну чотирициліндрову конфігурацію приводить до взаємної компенсації більшості неврівноважених сил і моментів, а також до рівномірних спалахів чотиритактного двигуна (два спалахи за один оберт колінчатих валів через 180 градусів) Залишкові неврівноважені сили інерції і їх моменти в названій конфігурації значно менше, ніж у всі х конфігураціях чотирициліндрових двигунів внутрішнього згоряння, описаних вище Силовий механізм і картер чотирициліндрового двигуна в зазначеній конфігурації мають невеликі розміри. Відомі й інші конструктивні рішення силового механізму двигуна внутрішнього згоряння з двома рівнобіжними колінчатими валами, що відрізняються один від іншого особливостями виконання і взаємодії компонентів. Загальними ознаками рішення, що заявляється, і зазначеного аналога є силовий механізм чотирициліндрового двигуна внутрішнього згоряння, що містить два зв'язаних зубчастою передачею рівнобіжних колінчатих вали з щоками, на яких розташовані консольні кривошипи, що несуть на собі шатуни, зв'язані з циліндро-поршнєвими групами двигуна, які розташовані в два ряди по дві у кожному ряду. Зазначений силовий механізм двигуна внутрішнього згоряння з двома рівнобіжними колінчатими валами має наступні особливості. Зубчаста передача, що з'єднує два колінчатих вали, працює в умовах знакозмінних навантажень з великим піковим обертальним моментом. Не завжди зручне розташування вихідного вала силового механізму. Кінець одного з колінчатих валів, що використовується для зняття обертального моменту, розташований не по осі симетрії двигуна. Наявність додаткових компонентів силового механізму, таких як шестерні зубчастої передачі, що з'єднує два колінчатих вали, викликає ускладнення конструкції. Трудно забезпечити мінімально необхідний момент інерції кожної половини силового механізму при наявності в ній не більш двох циліндрів. Маса силового механізму збільшена, незважаючи на більш компактну конфігурацію. Відомий двоциліндровий двотактний двигун гоночного мотоцикла С2Б [Устройство мотоцикла, А.В.Серов, Л.P.Бас и др., Москва, 1959] силовий механізм якого містить два колінчатих вали, з'єднані зубчастою передачею Кожний колінчатий вал з'єднаний з одною циліндропоршнєвою групою. Як шестерні названої зубчастої передачі використані щоки названих колінчатих валів, вони ж є і маховиками, що створюють необхідний момент інерції силового механізму. Для зняття обертального моменту у цьому силовому механізмі використовується вільний кінець одного з колінчатих валів, що зміщений щодо осі симетрії силового механізму. Загальними ознаками рішення, що заявляється, і зазначеного аналога (двигун мотоцикла С2Б) є: силовий механізм двигуна внутрішнього згоряння, який містить два зв'язаних зубчастою переда 5 85325 чею рівнобіжних колінчатих вали з щоками, що зв'язані з циліндро-поршнєвими групами двигуна. Однак, зазначена конструкція передбачає виключно двоциліндрову конфігурацію. Як прототип вибрано чотиритактний чотирициліндровий двигун вн утрішнього згоряння, що застосовувався на мотоциклах Ariel, модель Square Four OHC 1931 року (http://en.wikipedia.org/wiki/Ariel_Square_Four). Названий чотиритактний двигун вн утрішнього згоряння містить силовий механізм двигуна, що має у своєму складі два колінчатих вали кожний з яких містить дві щоки із кривошипами, розташованими через 180 градусів, на кожнім кривошипі встановлений шатун, з поршнем. У нижній голівці кожного шатуна знаходиться підшипник кочення. Три з названих чотирьох кривошипів є консольними, четвертий взаємодіє з додатковою щокою, яка призначена для зняття обертального моменту. Названі колінчаті вали з'єднані зубчастою передачею, що складається з двох шестерень, кожна з яких розміщена між щоками відповідного колінчатого валу. Названа шестерня і щоки кожного колінчатого валу забезпечують необхідний момент інерції. Силовий механізм названого двигуна внутрішнього згоряння обслуговує чотири циліндри, розташовані в два ряди по два циліндра в кожному ряду. Двигун Ariel Square Four працює в такий спосіб. Зв'язані зубчастою передачею колінчаті вали обертаються в протилежних напрямках. Робочий процес у кожному циліндрі протікає відповідно до чотиритактного циклу. Взаємне розташування кривошипів колінчатих валів і їх кінематичний зв'язок забезпечують два спалахи за кожен оборот колінчатих валів з рівномірним інтервалом у 180 градусів. При цьому обидва спалахи за непарний оборот відбуваються в двох циліндрах, що обслуговуються одним колінчатим валом, а за парний оборот - іншим. Таким чином, спалахи обходять послідовно всі чотири циліндри двигуна один за іншим. У результаті досягається плавна робота двигуна в широкому діапазоні оборотів. Силовий механізм чотирициліндрового двигуна внутрішнього згоряння, розглянутий як прототип, характеризується наступними особливостями. Зуби зубчастої передачі сильно навантажені при передачі піків обертального моменту що приводить до їх передчасного зносу. Простір, доступний для розміщення зубчастих коліс передачі, що зв'язує колінчаті вали в картері двигуна, обмежений. Збільшено кількість деталей, у першу чергу, за рахунок шестірень передачі, що з'єднує два колінчатих вали, збільшена маса. Уніфікація компонентів силового механізму неповна за рахунок додаткової щоки для зняття обертального моменту. Розташування вихідного валу асиметричне, що не завжди зручно. В основу винаходу поставлена задача зниження навантаження на зуби передачі, що з'єднує колінчаті вали, при скороченні кількості деталей і їх уніфікації, а також спрощення і полегшення 6 конструкції, зниження трудомісткості виробництва і ремонту двигуна. Поставлена задача вирішується тим, що в силовому механізмі чотирициліндрового двигуна внутрішнього згоряння, що містить два зв'язаних зубчастою передачею рівнобіжних колінчатих вали з щоками, на яких розташовані консольні кривошипи, що несуть на собі шатуни, зв'язані з циліндро-поршнєвими групами двигуна, які розташовані в два ряди по дві у кожному ряду, відповідно до винаходу, кожний колінчатий вал виконаний збірним і складається з двох ідентичних половин, кожна з яких поєднує в собі щоку з консольним кривошипом і половину корінної шийки, щока також є шестернею зубчастої передачі, що з'єднує рівнобіжні колінчаті вали з маховиком, у зазначену зубчасту передачу введено вал відбору потужності з двома шестернями, що зачеплені з зубчатими вінцями щік колінчатих валів, при цьому передаточне число зубчатої передачі між названим проміжним валом і названими зубчатими вінцями дробове, а половини кожного колінчатого валу з'єднані між собою рознімним з'єднанням. Перераховані ознаки складають сутність винаходу. На консольних кривошипах і корінних опорах колінчатих валів можуть бути встановлені підшипники кочення або підшипники ковзання Можливе виконання силового механізму коли зубчаті вінці рівнобіжних колінчатих валів знаходяться в зачепленні, а шестерня валу відбору потужності знаходиться в зачепленні з зубчатим вінцем одного з колінчатих валів коли кращим є протилежний напрямок обертання колінчатих валів. Істотні ознаки винаходу знаходяться в причинно-наслідковому зв'язку з технічним результатом, що досягається. Так, якщо в силовому механізмі чотирициліндрового двигуна вн утрішнього згоряння, що містить два зв'язаних зубчастою передачею рівнобіжних колінчатих вали з щоками, на яких розташовані консольні кривошипи, що несуть на собі шатуни, зв'язані з циліндро-поршнєвими групами двигуна, які розташовані в два ряди по дві у кожному ряду, кожний колінчатий вал виконати збірним з двох ідентичних половин, кожна з яких поєднує в собі щоку з консольним кривошипом і половину корінної шийки, щоку виконати як шестерню зубчастої передачі, що з'єднує рівнобіжні колінчаті вали з маховиком, у зазначену зубчасту передачу ввести вал відбору потужності з двома шестернями, що зачеплені V з зубчастими вінцями щік колінчатих валів, при цьому передаточне число зубчастої передачі між названим проміжним валом і названими зубчатими вінцями вибрати дробовим, а половини кожного колінчастого валу з'єднати між собою рознімним з'єднанням, то стає можливим знизити навантаження на зуби передачі, що з'єднує колінчаті вали, при скороченні кількості деталей і їх уніфікації, а також спростити і полегшити конструкцію, знизити трудомісткість виробництва і ремонту двигуна. Відмітні ознаки пропонованого рішення (кожний колінчатий вал виконаний збірним і складаєть 7 85325 ся з двох ідентичних половин, кожна з яких поєднує в собі щоку з консольним кривошипом і половину корінної шийки, щока також є шестернею зубчастої передачі, що з'єднує рівнобіжні колінчаті вали з маховиком, у зазначену зубчасту передачу введено вал відбору потужності з двома шестернями, що зачеплені з зубчатими вінцями щік колінчатих валів, при цьому передаточне число зубчатої передачі між названим проміжним валом і названими зубчатими вінцями дробове, а половини кожного колінчатого валу з'єднані між собою рознімним з'єднанням) у сукупності з ознаками, загальними з прототипом, реалізують наступні особливості силового механізму чотирициліндрового двигуна внутрішнього згоряння, що заявляється. Дробове передатне відношення між зубцюватими вінцями колінчатих валів і шестернями валу відбору потужності забезпечує рівномірний розподіл навантаження від піків обертального моменту по зубах шестірень валу відбору потужності. Розташування зубчасти х вінців на щоках колінчатих валів корінних підшипників між названими щоками дозволяє максимально використовувати обмежений простір картеру для розміщення зубчастих передач, що з'єднують колінчаті вали силового механізму і підвищити навантажувальну здатність названих передач, Зазначене дозволяє розмістити в обмеженому просторі шестерні максимального розміру, здатні передавати великий піковий обертальний момент, забезпечити рівномірну участь зубів шестірень валу відбору потужності в сприйнятті піків обертального моменту. При обертанні двох зв'язаних колінчатих валів в одному напрямку і прийнятому розташуванні кривошипів, практично відсутні неврівноважені сили інерції першого і другого порядків та їхні моменти, що дозволяє домогтися практично ідеальної урівноваженості і малого рівня вібрацій. Основні компоненти силового механізму чотирициліндрового двигуна внутрішнього згоряння об'єднані в чотири комплекти однакових деталей, таких як шатуни, шийки колінчатих валів і підшипники, що дозволяє максимально уніфікувати компоненти силового механізму. Конструкція легкорознімна, у тому числі при використанні підшипників кочення, як у шатунних, так і корінних опорах колінчатих валів. Вал відбору потужності силового механізму зручно розташований для більшості застосувань. Все це дозволяє знизити трудомісткість виробництва і ремонту двигуна. Запропонована конфігурація силового механізму чотирициліндрового двигуна внутрішнього згоряння, у залежності від конкретного застосування, може забезпечити додаткові переваги. Зокрема, при використанні в шатунних і корінних опорах підшипників ковзання, усі вкладиші можуть бути виконані нероз'ємними. Картер чотирициліндрового двигуна внутрішнього згоряння із силовим механізмом, що заявляється, може не мати технологічного рознімання, що підвищить його жорсткість і знизить масу. 8 Нижче приводиться докладний опис чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння з посиланнями на креслення, що додаються до опису Фіг.1. Силовий механізм чотирициліндрового двигуна вн утрішнього згоряння, поперечний розріз. Фіг.2. Силовий механізм чотирициліндрового двигуна вн утрішнього згоряння, розріз по A-A на Фіг.1. Фіг.3. Силовий механізм чотирициліндрового двигуна вн утрішнього згоряння, варіант із протилежним напрямком обертання колінчатих валів і бічним розташуванням валу відбору потужності. Свідчення, що підтверджують можливість здійснення винаходу Силовий механізм чотирициліндрового двигуна внутрішнього згоряння може бути реалізований в наступному варіанті. Силовий механізм чотирициліндрового двигуна внутрішнього згоряння (Фіг.1, 2) містить циліндропоршнєві групи 1, 2, 3, 4 розташовані у вершинах прямокутника. Колінчаті вали 5 і 6 складаються з половинок 7, 8, 9, 10 із зубчатими вінцями 11, 12, 13, 14, відповідно, консольними кривошипами 15, 16, 17, 18, шатунними підшипниками 19, 20, 21, 22, на яких установлені шатуни 23, 24, 25, 26 і корінними підшипниками 27, 28, 29, 30. Половинки колінчатих валів 5 і 6 зв'язані між собою болтами 31, 32, 33, 34 і штифтами 35, 36, 37, 38. Між колінчатими валами 5 і 6 знаходиться проміжний вал 39 із шестернями 40 і 41. Другий варіант компонування силового механізму двигуна внутрішнього згоряння показаний на Фіг.3. У ньому колінчаті вали 5 і 6 безпосередньо зв'язані один з одним зубчастими вінцями 11, 12, 13, 14, а вал відбору потужності 39 винесений убік, його шестерні 40 і 41 знаходяться в зачепленні з зубчастими вінцями 12 і 14 колінчатого валу 6. Силовий механізм чотирициліндрового двигуна внутрішнього згоряння в запропонованій конфігурації може бути застосований у чотиритактних і двотактних двигуна х з різними способами сумішоутворення і запалення пальної суміші. У зв'язку з цим відповідні компоненти, що відносяться до газорозподільного механізму, системам живлення, запалювання можуть бути різними і на кресленнях не показані. Для визначеності надалі, описаний варіант чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння з запалюванням від іскри або від стиску. Силовий механізм чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння працює в таким чином. Колінчаті вали 5 і 6, зв'язані зубчастими вінцями 11, 12,13,14 із шестернями 32 і 33 проміжного валу 31, обертаються в одному напрямку. Кривошипи на кожному колінчатому валу розташовані через 180 градусів по відношенню друг до друга, а обидва колінчатих вали 5 і 6 встановлені в такому кутовому положенні відносно один до другого, що кривошипи сполучених пар (15, 17 і 16, 18) також знаходяться через 180 градусів по відношенню один до другого. Такт робочого ходу по черзі відбувається в циліндрах 1, 2, З, 4, при цьому в парні обороти обидві спалахи за оборот відбуваються на одному колінчатому валу, а в непарні обороти на другому. 9 Описана конструкція і її варіант є тільки частковими прикладами реалізації силового механізму чотирициліндрового двигуна внутрішнього згоряння. Можливі й інші варіанти реалізації силового 85325 10 механізму, чотирициліндрового двигуна внутрішнього згоряння, що заявляється, у межах сутності винаходу. 11 Комп’ютерна в ерстка Т. Чепелев а 85325 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601