ТТМ Основы проектиров.

При отклонении в продольной плоскости механизма от одинаковости взаимного углового положения оси поршня от оси цилиндра со стороны цилиндра на поршень действует сила, которая относительно оси шатунной шейки вала коленчатого создает большой изгибающий момент, который деформирует механизм в продольной плоскости и стремится повернуть ось поршня к оси цилиндра [3].
Техническая задача создания кривошипно-ползунного механизма, обеспечивающего уменьшение отклонения от одинаковости взаимного углового положения оси поршня относительно оси цилиндра, снижение изгибающего момента, удельных давлений в его сопряжениях, скоростей их изнашивания и увеличения его надежности решается установкой между поршневым пальцем и поршневой головкой шатуна компенсатора угловых отклонений оси поршня относительно оси цилиндра в форме сферического шарнира.
Кривошипно-ползунный механизм двигателя содержит цилиндр, поршень, поршневой палец, шатун и втулку поршневой головки шатуна. Поршневая головка шатуна имеет сферическое отверстие под втулку. Втулка выполнена из упругого антифрикционного материала и содержит внутреннее цилиндрическое отверстие под поршневой палец и наружную сферическую поверхность под поршневую головку шатуна. Втулка вдоль продольной оси имеет разъем. Угол наклона разъема относительно касательной к внутренней цилиндрической поверхности отверстия втулки может быть в интервале от 0 до 90°.
Втулку скручивают, что уменьшает ее до нужного размера, и устанавливают в смазанное сферическое отверстие поршневой головки шатуна, где она распрямляется сама частично или полностью и (или) ее распрямляют с помощью приспособления в форме конуса, а затем дорном калибруют ее внутреннее отверстие под размер поршневого пальца. Поршневой палец при сборке поршня с шатуном через отверстие в бобышке поршня устанавливают во внутреннее цилиндрическое отверстие втулки. Внутренняя сферическая поверхность поршневой головки шатуна и наружная сферическая поверхность втулки образуют сферический шарнир. Для уменьшения момента сил трения сферические поверхности шарнира разделены смазочным материалом.
Работа кривошипно-ползунного механизма состоит в том, что увеличение отклонения от одинаковости взаимного углового положения оси поршня относительно оси цилиндра в продольной плоскости механизма вызывает появление силы давления со стороны цилиндра на поршень, которая относительно центра сферического шарнира создает момент силы. Однако момент этой силы увеличивается только до величины момента сил трения в сферическом шарнире. Как только момент силы преодолеет момент сил трения в сферическом шарнире, он повернет ось поршня в сторону оси цилиндра, что уменьшит угол отклонения его оси от одинаковости взаимного углового положения с осью цилиндра. Поворот оси поршня в сторону оси цилиндра снижает изгибающий момент силы, действующей со стороны цилиндра на поршень до момента меньше момента сил трения в смазочном слое между его поверхностями вплоть до его полного исчезновения.
Уменьшение момента силы давления со стороны цилиндра на поршень снижает до минимального значения удельные давления в сопряжениях, скорости их изнашивания и увеличивает его надежность.
Преимущество кривошипно-ползунного механизма состоит в размещении между поршневым пальцем и поршневой головкой шатуна компенсатора угловых отклонений оси поршня относительно оси цилиндра в форме сферического шарнира. Сферические поверхности шарнира для снижения трения разделены смазочным материалом. Поэтому момент силы, действующей со стороны цилиндра на поршень относительно центра сферического шарнира, может быть снижен от величины момента сил трения в смазочном материале между его сферическими поверхностями до нуля.
Работает кривошипно-ползунный механизм следующим образом. Увеличение угла отклонения от одинаковости взаимного углового положения оси шатуна Ош и оси поршня Oп относительно оси цилиндра Оц в продольной плоскости механизма двигателя на начальный угол α1 обеспечивает выбор зазора между поршнем 2 и цилиндром 1 и появление силы Рц, действующей со стороны цилиндра 1 на поршень 2 (рис.1.1). Дальнейшее увеличение угла  α1 отклонения оси шатуна Ош от оси цилиндра Оц до величины угла α2 сопровождается увеличением силы Рц, действующей со стороны цилиндра 1 на поршень 2, и созданием относительно центра сферического шарнира Цш момента этой силы. Моменту силы Рц противостоит момент сил трения в слое смазочного материала, находящемся между сферическими поверхностями 6 втулки 4 и поршневой головки 3 шатуна. Как только момент силы Рц относительно центра сферического шарнира Цш превысит момент сил трения в сферическом шарнире, то он преодолеет его и повернет ось поршня Оп в сторону оси цилиндра Оц на угол δ , что уменьшает угол отклонения оси поршня от одинаковости взаимного углового положения оси поршня Оп относительно оси цилиндра Оц (рис. 1.2). Поворот оси поршня в сторону оси цилиндра снизит момент силы Рц, действующей со стороны цилиндра 1 на поршень 2, от момента сил трения до нуля. Сила Рц достигнет нулевого значения при условии, что угол δ поворота оси поршня 2 в сторону оси цилиндра будет равен углу α2  наклона оси Ош шатуна. В этом случае ось поршня 2 будет параллельна оси Оц цилиндра 1 (рис. 1.2). Уменьшение момента силы Рц, действующей со стороны цилиндра 1 на поршень 2, от момента сил трения в сферическом шарнире до нуля уменьшает удельные давления в сопряжениях кривошипно-ползунного механизма, скорости их изнашивания и повышает его надежность [3].
Рассмотрим достоинства и недостатки механизма, описанного выше.
Недостатки:
Узкая область применения;
Необходима высокая точность изготовления деталей;
Возможны отклонения углового положения шатунных шеек и, как следствие. Быстрое изнашивание всего механизма.
Достоинства:
Снижение значения момента силы давления со стороны цилиндра на поршень снижает удельные давления в сопряжениях, что приводит к снижению скорости их изнашивания;
Наличие компенсатора угловых отклонений оси поршня относительно оси цилиндра;
Снижения момента силы трения из-за смазывания сферических поверхностей шарнира.