двухвальный кривошипно шатунный механизм

область техники.

изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, насосах, компрессорах и механизмах для передачи возвратно-поступательного движения какой либо детали во вращательное движение коленвалов и с вращательного движения коленвалов в возвратно-поступательное движение какой либо детали, с возможностью задавания и изменения во время работы параметров характеристики этого возвратно-поступательного движения.

применение двухвального кривошипно-шатунного механизма (далее по тексту дкшм) в приводе рабочего поршня двигателя внутреннего сгорания (далее по тексту двс) позволяет обеспечить максимальный крутящий момент механизма в самом начале расширения рабочего заряда, когда его давление близко к максимальному, что в свою очередь дает возможность увеличить удельную мощность и коэффициент полезного действия двс, повысить его экономичность.

наличие в нем устройства изменения угла установки коленвалов механизма относительно друг друга позволяет изменять в процессе работы двигателя рабочий ход одного или нескольких рабочих поршней, что в свою очередь позволит изменять рабочий объем камеры сгорания, тем самым изменять степень сжатия и обеспечить возможность настройки двс на различные режимы работы, а так же, при необходимости его работу на различных видах тoпливa,( газ, бензин, дизтопливо и др.).

предшествующий уровень техники.

близким аналогом заявленного устройства является техническое решение, описанное в патенте рф >г92275519 от 07.12.2004г. недостатком которого является то, что через коромысло, на штангу в данном устройстве действуют большие поперечные силы, коιорыс воспринимаются направляющей, к которой перемещаемся сама штанга и, соответственно в узле штанга-направляющая возникают большие потери на трение и узел имеет малую надежность. отсутствие возможности изменения хода поршня в процессе работы так же является недостатком данного механизма.

раскрытие изобретения.

в предлагаемом дкшм все перпендикулярные штанге силы, действующие через шатуны на коромысло, воспринимает маятник, ιнариирно прикрепленный своим одним концом к коромыслу, а своим другим концом шарнирно к корпусу двс или механизма. применение маятника позволит применить штангу меньших весогабаритных показателей, избежать больших потерь на трение, повысить надежность механизм, а реакция маятника

заменяющий лист (правило 26)

создает дополнительный положительный крутящий момент на валах механизма. установка устройства изменения угла установки кривошипов между собой позволит изменять величину хода поршня в процессе работы.

заявленный дкшм состоит из: из двух синхронно вращающихся коленчатых валов (кривошипов) 1 и 2, расположенных параллельно или соосно и связанных друг с другом шестернями 3 и 4 с передаточным отношением равным единице, коромысла 9, соединенного с одноименными шатунными шейками двух указанных коленчатых валов, шатунами 7 и 8, штанги 10, одним концом соединенной с коромыслом, а другим концом соединенным с деталью или поршнем 12, расположенном в цилиндре 13, маятника 14, одним концом соединенного с коромыслом, а другим концом соединенного с корпусом механизма или корпуса двигателя 15 , при этом все соединения в двухвальном кривошипно-коромысло-шатунном механизме выполнены шарнирно.

краткое описание чертежей.

заявленный двухвальный кривошипно-шатунный механизм поясняется чертежами:

на фиг. 1 изображена кинематическая схема дкшм, где 1 и 2 - параллельные коленчатые валы, 3 и 4 - шестерни, 5 и 6 - шарниры шатунов, 7 и 8 - шатуны соответствующих валов, 9 - коромысло, 10 - штанга, 11 - маятник, 12 - рабочий орган или поршень, 13 - цилиндр или направляющая рабочего органа, 14 - корпус механизма или двигателя, 15 - устройство изменения угла установки кривошипов относительно друг друга;

на фиг. 2 показан вид снизу кинематической схемы дкшм;

на фиг. 3 показан вид снизу кинематической схемы дкшм, где применяется две штанги 10, между которыми перемещаются шатуны 7 и 8;

на фиг. 4 показана кинематическая схема заявляемого дкшм в двс, при перемещении поршня в цикле расширение, где шатуны 7 и 8 расположены перекрестно друг к другу, а коромысло 9 и поршень 12 лежат по разные стороны плоскости, в которой лежат оси колен валов 1 и 2, штанга 10 пересекает эту плоскость.

на фиг. 5 показана кинематическая схема двс с заявляемым дкшм при перемещении поршня в цикле сжатие, где шатуны 7 и 8 расположены перекрестно друг к другу, а коромысло 9 и поршень 12 лежат по разные стороны плоскости, в которой лежат оси коленвалов 1 и 2, штанга 10 пересекает эту плоскость.

заменяющий лист (правило 26)

на фиг. 6 показан вариант кинематической схемы дкшм, в которой коромысло 9, и рабочий орган 12 находятся по одну сторону от плоскости, в которой лежат оси коленвалов, а шатуны 7 и 8 перекрещиваются между собой.

на фиг. 7 показан вариант кинематической схемы дкшм, в которой шатуны 7 и 8 не перекрещиваются между собой, а рабочий орган или поршень расположены по разные стороны плоскости, в которой лежат оси коленвалов, а штанга 10 пересекает эту плоскость;

на фиг. 8 показан вариант кинематической схемы дкшм, в которой шатуны 7 и 8 не перекрещиваются между собой, а рабочий орган или поршень расположены по одну сторону плоскости, в которой лежат оси коленвалов;

на фиг. 9 показан вариант кинематической схемы дкшм, в которой одноопорные коленчатые валы 1 и 2 соосны между собой и связаны между собой коническими шестернями 3 и 4 через промежуточную шестерню 16, а коромысло и поршень или рабочий орган лежат по разные стороны от оси, через которую проходят оси коленвалов 1 и 2, где 5 и 6 - шарниры шатунов, 7 и 8 - шатуны соответствующих валов, 9 - коромысло, 10 - штанга, 1 1 - маятник, 12 - рабочий орган или поршень, 13 - цилиндр или направляющая рабочего органа, 14 - корпус механизма или двигателя, 15 - устройство изменения угла установки кривошипов относительно друг друга;

на фиг. 10 то же что и на фиг. 9, вид а сбоку.

на фиг. 1 1 то же что и на фиг. 9, вид б снизу.

на фиг. 12 показан вариант кинематической схемы дкшм, в которой одноопорные коленчатые валы 1 и 2 соосны между собой, где 5 и 6 - шарниры шатунов, 7 и 8 - шатуны соответствующих валов, 9 - коромысло, 10 - штанга, 11 - маятник, 12 - рабочий орган или поршень, 13 - цилиндр или направляющая рабочего органа, 14 - корпус механизма или двигателя, 15 - устройство изменения угла установки кривошипов относительно друг друга, а коромысло 9 и поршень 12 или рабочий орган расположены по одну сторону от оси через которую проходят оси коленвалов 1 и 2 .

на фиг. 13 показана упрощенная кинематическая схема однопоршневого двс выполненного на основе заявленного дкшм с расположениями поршня, где показаны расстояния от верхней мертвой точки до поршня через каждые зоградусов поворота коленвалов.

на фиг. 14 показана упрощенная кинематическая схема традиционного одновального однопоршневого двс, где показаны углы, на которые поворачивается

заменяющий лист (правило 26)

традиционный коленчатый вал при положениях поршня, повторяющего положения поршня двс выполненного на основе заявленного дкшм через каждые зоградусов поворота коленвалов.

на фиг. 15 показана упрощенная кинематическая схема однопоршневого двс выполненного на основе заявленного дкшм с расположением поршня, где показаны положения шатунов и коромысла при повороте коленвалов на 30 градусов от верхней мертвой точки поршня и показаны тангенциальные силы тэкс, действующие на валы эксперементалного двс через каждые зоградусов поворота коленвалов при рраб =1.

на фиг. 16 показаны графики изменения крутящих моментов за один рабочий цикл расширения рабочего газа традиционного одноцилиндрового двс - кривая а и заявляемого одноцилиндрового двс - кривая б

лучший вариант осуществления изобретения.

заявленный дкшм имеет несколько вариантов исполнения:

вариант исполнения дкшм, использованного в конструкции двс. предлагаемый механизм состоит из двух параллельно расположенных коленчатых валов (кривошипов) 1 и 2 с установленными на них шестернями 3 и 4. коленчатые валы 1 и 2 имеют возможность синхронного вращения в любых направлениях и связаны посредством шарниров 5 и 6 с шатунами 7 и 8. шатуны 7 и 8 находятся в разных плоскостях и шарнирно связаны с корпусом коромысла 9. коромысло 9 шарнирно связано с шатунами 7 и 8 и со штангой 10. коромысло 9 имеет форму, и размеры позволяющую шарнирно связать его корпус, с соответствующим валом посредством как минимум одного шатуна, а один или более рабочие органы шарнирно связать с коромыслом через, как минимум одну штангу, при этом шатуны 7 и 8 имеют возможность перемещения каждый в своей плоскости, а шарнирное соединения выполнены в необходимом по параметрам месте корпуса коромысла. одна или более штанга 10 шарнирно связана своим одним концом с рабочим органом, а другим своим концом, как указано выше, шарнирно связана с корпусом коромысла. штанга 10 имеет форму, позволяющую беспрепятственно перемещаться шатунам 7 и 8, может быть, как один из вариантов, выполнена в виде вилки или применяется две штанги. в качестве рабочего органа в данном варианте использован поршень 12, который подвижно установлен в цилиндре 13. корпус коромысла так же шарнирно крепится к одному концу маятникаl 1, который в свою очередь другим своим концом шарнирно прикреплен к корпусу механизмам. при работе механизма все

заменяющий лист (правило 26)

возникающие перпендикулярные штанге силы, действующие на коромысло, будут восприниматься маятником, и не будут оказывать изгибающего воздействия на штангу.

если предлагаемый механизм применить в двигателе внутреннего сгорания, то он работает следующим образом:

при сгорании топливно-воздушной смеси расширяющиеся газы воздействуют с силой P на поршень 12, что приводит его в движение внутри цилиндра 13 (см фиг. 3). поршень 12 толкает штангу 10, которая посредством коромысла 9 и шатунов 7 и 8 приводит коленчатые валы (кривошипы) 1 и 2 во вращение. при достижении поршнем 12 нижней мертвой точки (далее по тексту HMT), далее на коромысло 9 через шатуны 7 и 8 воздействует сила инерции от вращающихся коленвалов 1 и 2, которое через штангу перемещает поршень 12 в положение BMT, происходит выпуск и выталкивание продуктов сгорания, после чего поршень 12 возвращается в HMT и производят подачу новой порции топливо-воздушной смеси (см. фиг. 4). далее на коромысло 9 через шатуны 7 и 8 воздействует сила инерции от вращающихся коленвалов 1 и 2, которая через штангу перемещает поршень 12 в положение BMT, производя при этом сжатие топливно- воздушной смеси (см. фиг. 5). далее цикл повторяется. характеристика крутящего момента на коленвалах 1 ,2 и скорость перемещения поршня 12 в прямом и обратном направлении, при неизменном радиусе кривошипов, могут быть различными и зависят от угла α установки одного кривошипа относительно другого. так же характеристики крутящего момента на коленвалах 1 ,2 и скорость перемещения поршня 12 можно задавать и геометрическими размерами шатунов 7 и 8, коромысла 9, межосевого расстояния валов 1 и 2, а так же изменением их пропорций. изменения характеристики крутящего момента на коленвалах 1 ,2 и скоростной характеристики возвратно-поступательного движения поршня 12, как в прямом, так и в обратном направлении без изменения радиусов коленвалов 1 и 2 и их заданной угловой скорости, можно осуществить за счет изменения длины шатунов 7 и 8. чем больше длина шатунов 7 и 8, при неизменяемых других геометрических параметрах механизма, тем меньше соотношение угла поворота коленвалов 1 и 2 при движении поршня от HMT к BMT к углу поворота при движении от BMT к HMT, и соответственно так же будет меняться соотношение скорости при движении поршня 12 от HMT к BMT к скорости поршня 12 от BMT к HMT. такой же закономерности подчиняются и соотношения значений максимальных крутящих моментов на валах в данных диапазонах. чем больше длина шатунов, тем меньше соотношение этих величин и наоборот чем меньше длина шатунов, тем соотношение

заменяющий лист (правило 26)

скоростей и максимальных крутящих моментов больше и минимальная величина длины шатунов ограничена конструктивными соотношениями остальных геометрических параметров механизма, обеспечивающими его работоспособность, беспрепятственное вращение валов 1 и 2, и исключающими заклинивание механизма.

промышленная применимость.

необходимые параметры механизма можно рассчитать по следующим формулам

крутящий момент механизма определяется по формуле: M кp=Ml+M2, где:

Ml - крутящий момент коленвала 1 ;

M2 - крутящий момент коленвала 2.

крутящий момент вала 1 определяется по формуле: Ml=TIxRl, где:

Tl - тангенциальная сила коленвала 1 ;

Rl - радиус коленвала (кривошипа) 1.

крутящий момент вала 2 определяется по формуле: M2=T2 ^χ R2, где:

T2 - тангенциальная сила коленвала 2;

R2 - радиус коленвала 2.

тангенциальная сила, действующая на вал 1, определяется по формуле: Tl=P ^χ Sinγl/Cosβl , гдe:

P - давление газов на поршень;

тангенциальная сила, действующая на вал 2, определяется по формуле: T2=P ^χ Sinγ2/Cosβ2, где:

P - давление газов на поршень.

работа при вращательном движении находится по формуле:

работа W- \Mφdφ2

D

где: мкр - крутящий момент на валах двс, действующий за угол от 0 до φ2- угол, на который поворачиваются валы при расширении рабочего газа и ходе поршня от BMT к HMT.

работа за один цикл расширения рабочего заряда равна сумме крутящих моментов, действующих за время поворота валов, за который произошло расширение рабочих газов. из этого следует: площадь под кривыми будет равняться совершенной работе действительного цикла.

заменяющий лист (правило 26)

рассмотрим, например кинематическую схему 107-кyбoвoгo одноцилиндрового четырехтактного двс, устанавливаемого на минимоторолер марки «REGGI». фиг.14. цилиндропоршневая группа (далее по тексту цпг) и кривошипно-шатунный механизм (далее по тексту кшм) которого имеют следующие геометрические размеры: радиус кривошипа Rcт=25мм, ход поршня .соответственно = 50мм, длина шатуна L=80мм, диаметр цилиндра и поршня D=52мм. для сравнения спроектируем и рассмотрим двухвальный кривошипно-коромысло-шатунный механизм (далее по тексту дкшм) с близким по значению ходом поршня. получаются следующие значения радиусы колен валов Rl=R2=22мм, межосевое расстояние =96мм, ход поршня =52мм, длинна штанги = 200мм, угол установки между валами = 60 градусов. фиг.13. применяя, вышеприведенные геометрические параметры дкшм и кшм используя в расчетах данные одной цпг, а так же вышеприведенные формулы и используя одинаковые данные по давлению на поршень, есть возможность произвести расчет работы одного рабочего цикла для обоих двигателей.

для примера рассмотрим положение поршня на экспериментальном двс когда его коленчатые валы повернулись на 30 градусов от положения поршня когда он занимает BMT и поршень переместился на 5 мм. на такое же расстояние переместим поршень на стандартном двс «REGGI». так как у обоих двигателей рассматриваем одинаковое положение поршней, одинаковый надпоршневой объем, то давление в них будет одинаковым, тогда для упрощения расчета можем принять расчетное рабочее давление за условную единицу Ppaб=l и, используя вышеприведенные формулы, находим тангенциальную силу T для экспериментального двс: на коленвалеl - Tl=P ^χ Sinγl/Cosβl; на коленвалс 2 - T2=P ^χ Sinγ2/Cosβ2, для каждого положения поршня с Tl по T5. далее умножая эти значения на реальные значения уменьшающегося давления рраб, получаем действующие значения тангенциальной силы T для каждого положения поршня и коленвалов. результаты заносим в таблицу 1. умножим эти значения на радиусы используемых кривошипов, получим действующие крутящие моменты на валах дкшм. Ml = TlRl ; M2 = T2R2

далее находим суммарный крутящий момент мкр.экс на валах экспериментального двс. крутящий момент экспериментального двс складывается из крутящих моментов на его валах

заменяющий лист (правило 26)

мкр.экс = M 1 + M2 результаты заносим в см. таблицу 1.

производим такие же расчеты для стандартного традиционного двс «REGGI» находим тст - тангенциальную силу на коленвале:

Tcт= Pcт ^χ Sinγ/Cosβ умножая на радиус вала стандартного двс Rcт=25мм, находим крутящий момент на валу стандартного двс мкр.ст,

мкр.ст = Tcт*Rcт результаты заносим в таблицу см. таблицу 1.

сравнивая полученные значения, видим: крутящий момент в данном положении поршня на валах экспериментального двс в 1 ,5 раза больше крутящего момента на валу стандартного двс. считая крутящие моменты для разных положения поршня, получаем значения, которые отражены в таблице фиг. и графиках под буквами а и б фиг.16.

кривая обозначенная буквой а - значения крутящего момента на коленчатом вале стандартного двигателя «REGGI», а площадь фигуры под кривой, это работа выполненная стандартным двс за один рабочий цикл расширения. кривая обозначенная буквой б - значения суммы крутящего момента на коленчатых валах заявляемого экспериментального двигателя, а площадь фигуры под кривой, это работа выполненная экспериментальным двс за один рабочий цикл расширения. площадь фигуры под кривой обозначенной буквой б больше площади фигуры под кривой обозначенной буквой а на 17%, это показывает, что за один рабочий цикл экспериментальный двс произвел работы больше на такую же величину, чем стандартный двс. но за счет усложнения конструкции, из-за замены одновального кшм на дкшм, стал ниже механический кпд заявляемого двс, поэтому часть повышения кпд экспериментального двс потратится на преодоление возросших механических потерь.

на основе заявляемого дкшм был построен экспериментальный двс на базе 107 см. кубового четырехтактного двс, устанавливаемого на минймоторолер марки «REGGI» и были проведены сравнительные тесты по расходу горючего. на стандартный двигатель указанной марки и кубатуры был установлен электрогенератор и с помощью этой установки был доведен до кипения один литр воды в электрочайнике и был проведен замер расхода топлива. далее, цилиндропоршневая группа с этого двигателя «REGGI», со стандартным газораспределительным механизмом, с тоже системой питания и зажигания, была установлена на дкшм, с таким же ходом поршня и был произведен такой же

заменяющий лист (правило 26)

эксперимент. замеры расхода топлива показали, что по сравнению со стандартным двс экспериментальный двс, на одну и ту же произведенную работу потребляет меньше топлива на 7%, а 10% из 17% потратились на преодоление трения в более сложном механизме и подтвердили теоретический расчет повышения кпд двс и его экономичности.

на показанном примере можно убедиться, что установка максимума собственной характеристики крутящего момента ближе к началу поворота валов от BMT поршня, за счет установки одного кривошипа относительно другого с углом (X, позволяет более эффективно использовать энергию расширяющегося заряда, повысить крутящий момент на его валах, мощность, кпд и экономичность двс.

данный механизм имеет возможность изменения различных параметров, таких как: увеличение крутящего момента без увеличения радиуса кривошипов, увеличение и смещение к началу угла поворота (при положении поршня в BMT) максимального значения собственной несимметричной механической характеристики передачи крутящего момента механизма при движения поршня от BMT к HMT, изменение хода поршня без изменения радиуса кривошипов, уменьшение заданных значений ускорений поршня при перемене направления движения в HMT и BMT, соответственно уменьшение инерционных нагрузок на детали механизма.

вышеуказанные параметры можно изменять в зависимости от поставленной задачи, варьируя величиной сдвига угла (X между кривошипами и варьируя геометрическими размерами коромысла, шатунов, межосевого расстояния валов и изменением их пропорций, которые ограничиваются заданными весогабаритными показателями механизма и прочностью применяемых материалов.

дкшм так же может быть выполнен в следующих вариантах:

возможен вариант кинематической схемы дкшм, в которой коромысло 9, и рабочий орган 12 находятся по одну сторону от плоскости, в которой лежат оси коленвалов (см. фиг.6).

возможен вариант кинематической схемы дкшм, в которой шатуны 7 и 8 не перекрещиваются между собой, а рабочий орган или поршень расположены по разные стороны плоскости, в которой лежат оси коленвалов, а штанга 10 пересекает эту плоскость (см. фиг.7).

заменяющий лист (правило 26)

возможен вариант кинематической схемы дкшм, в которой шатуны 7 и 8 не перекрещиваются между собой, а рабочий орган или поршень расположены по одну сторону плоскости, в которой лежат оси коленвалов (см. фиг.8).

возможен вариант кинематической схемы дкшм, в которой одноопорные коленчатые валы 1 и 2 соосны между собой и связаны между собой коническими шестернями 3 и 4 через промежуточную шестерню 16, обеспечивающих встречное вращение валов, а коромысло и поршень или рабочий орган лежат по разные стороны от оси, через которую проходят оси коленвалов 1 и 2 (см. фиг.9).

возможен вариант кинематической схемы дкшм, в которой одноопорные коленчатые валы 1 и 2 соосны между собой и связаны между собой коническими шестернями 3 и 4 через промежуточную шестерню 16, обеспечивающих встречное вращение валов, а коромысло 9 и поршень 12 или рабочий орган расположены по одну сторону от оси, через которую проходят оси коленвалов 1 и 2 (см. фиг.12).

соосное расположение валов позволяет уменьшить длину шатунов и соответственно снизить массогабаритные характеристики двс при одинаковых технических характеристиках. величина хода поршня в дкшм с параллельными валами зависит от радиуса кривошипов и их межосевого расстояния, а соосное расположение валов позволяет ход поршня сделать зависимым только от величины радиуса кривошипов и угла установки между валами. при этом для повышения крутящего момента с помощью увеличения радиуса кривошипов соосных валов мы незначительно увеличиваем ход поршня и его линейную скорость.

все варианты исполнения дкшм могут выполняться, таким образом, при котором поршень 12 соединен с коромыслом 9 двумя штангами 10 (например, на фиг.з). такая конструкция позволяет расположить шатуны 7 и 8 на минимальном расстоянии друг другу и сделать минимальными силы, которые будут оказывать изгибающее действие на шатуны.

устройство изменения угла установки валов относительно друг друга позволяет изменять угол установки валов относительно их симметричной установки друг друга, тем самым изменять ход поршня. при симметричной установке валов относительно друг друга, когда угол будет равен нулю, ход поршня будет максимальным для данной конструкции, чем больше угол установки между валами, тем меньше ход поршня. при установке угла между валами равным 180 градусам, ход поршня может быть равен нулю (поршень будет стоять на месте).

заменяющий лист (правило 26)

и

устройство может размещаться на одной из шестерен связывающих коленвалы между собой. на фиг.l устройство обозначено цифрой 15. работает устройство следующим образом: во время установки валов, а так же во время работы механизма, устройство обеспечивает поворот на нужный угол шестерни 4 относительно кривошипа 2, соответственно на этот же угол будет изменяться положение валов 1 и 2 относительно друг друга.

заменяющий лист (правило 26)

таблица 1