АСИНХРОННЫЙ ЗУБЧАТЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ВО ВРАЩАТЕЛЬНОЕ И НАОБОРОТ, ПЕРЕДНЯЯ КОЛЕНЧАТАЯ ПАРА, ЗАДНЯЯ КОЛЕНЧАТАЯ ПАРА, ПРОМЕЖУТОЧНОЕ ЗУБЧАТОЕ КОЛЕСО И ОПОРНОЕ ЗУБЧАТОЕ КОЛЕСО ДЛЯ НЕГО
ASYNCHRONOUS TOOTHED CONVERTER OF RECIPROCATION INTO ROTATION AND VICE VERSA, FRONT AND REAR CRANK PAIRS, IDLE GEAR AND ITS ANVIL GEAR WHEEL

Предлагаемое изобретение относится к области транспортного машиностроения, в частности к поршневым машинам, может применяться в поршневых двигателях внутреннего сгорания, в компрессорах и насосах.
Из уровня техники известен поршневой 4-цилиндровый, 4-тактный двигатель внутреннего сгорания, модель 412 (см. А.Ф.Андронов. Автомобиль «Москвич-412». Издание 2-е, переработка и дополнение. М: Машиностроение, 1973, стр.23-28, рис.11), выбранный в качестве прототипа, состоящий из картера, цилиндров, поршней, соединенных с верхними головками шатунов при помощи пальцев. В качестве преобразователя движения в данном двигателе применяется коленчатый вал, шейки которого соединены с нижними головками шатунов при помощи разъемных скользящих опор.
Недостатком известной конструкции двигателя является сложность изготовления коленчатого вала, который испытывает большие нагрузки от всех 4-х поршней, связанных с ним шатунами. Поэтому коленчатые валы изготавливают с большим запасом прочности, что влечет повышение металлоемкости и веса.
При работе данного двигателя коленчатый вал совершает 2 оборота за 4 такта (рабочий ход, выпуск, впуск, сжатие), поэтому для развития больших оборотов вала поршни совершают очень быстрые возвратно-поступательные движения, что приводит к повышенному износу и перегреву, а также к перерасходу топлива за счет неполного сгорания и т.д. Высокооборотные двигатели не позволяют изготавливать их с большим ходом поршней, что уменьшает мощность и КПД.
Цель изобретения заключается в том, что при замене коленчатого вала в двигателе, выбранном в качестве прототипа, на асинхронный зубчатый преобразователь получаются следующие преимущества:
1. Только 2 поршня связанны с одной коленчатой парой, одна из которых непосредственно не контактирует с корпусом двигателя, а другая связанна с ним только одной скользящей опорой, что уменьшает вибрацию.
2. За 4 такта двигателя передний вал отбора мощности будет совершать 2 оборота, что достаточно для привода клапанной группы, помпы и генератора, а задний вал отбора мощности за 4 такта будет совершать 6 оборотов, при условии, если зубчатые колеса на коленчатой паре, заднем вале отбора мощности и промежуточное зубчатое колесо будут одинакового диаметра. Это позволит развивать большие обороты маховику, аккумулировать большое количество энергии, а большой момент инерции обеспечит двигателю уравновешенную работу. Поршни при этом будут сравнительно тихоходны, что улучшит смесеобразование и сгорание топлива. Уменьшится износ и перегрев поршневой и клапанной группы.
3. Возможность создания двигателя с большим ходом поршня, который всегда будет равен 2/3 диаметра зубчатого неподвижного венца с внутренним зацеплением. Это повысит мощность и КПД двигателя, что компенсирует потерю мощности вала от зубчатых передач.
4. Простота изготовления, монтажа, ремонта. Возможность замены любого узла и детали без разборки клапанно-поршневой группы. Все детали малогабаритны и не дороги.
5. Постройка двигателя не требует переоснастки производства.
Изобретение поясняется чертежами, на которых представлено:
Фигуры 1-3 - передняя коленчатая пара (в 3-х проекциях);
Фигуры 4-6 - задняя коленчатая пара (в 3-х проекциях);
Фигура 7 - продольный разрез преобразователя;
Фигура 8 - поперечный разрез преобразователя.
Заявленный асинхронный зубчатый преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот представляет из себя зубчатый механизм, состоящий из передней коленчатой пары (Фигуры 1-3), составляющей с передним валом отбора мощности одно целое, задней коленчатой пары (Фигуры 4-6), зубчатых неподвижных венцов с внутренним зацеплением, установленных в корпусе преобразователя, заднего вала отбора мощности, промежуточного зубчатого колеса и опорного зубчатого колеса (Фигуры 7, 8).
Передняя коленчатая пара (Фигуры 1-3) представляет из себя деталь, все элементы которой выполнены как одно целое, и состоит из 2-х щек, одна из которых 1 выполнена в форме прямоугольного, равнобедренного треугольника, из 2-х противоположно направленных шеек 2, расположенных по обе стороны плоскости щеки, выходящих из 2-х равных углов треугольника. Продолжением одной из шеек является цапфа 3, расположенная с ней на одной оси, на которой с помощью скользящей опоры 4 установлено зубчатое колесо 5 с возможностью вращения. Между шейкой и цапфой расположен разделительный бурт 6. Вторая шейка 2 расположена между 2-х щек. Вторая щека 7 выполнена в форме прямоугольника и направлена к центру вращения коленчатой пары, где на ее конце расположен передний вал отбора мощности, состоящий из коренной шейки 8 и цапфы 9, для установки привода клапанной группы. Ось вала перпендикулярна плоскости щеки. Каждая щека имеет противовесы 10, выполненные в виде пластин, находящиеся с ними в одной плоскости. Оси шеек параллельны, перпендикулярны плоскостям щек и под углом 90° расположены друг к другу относительно центра вращения щек. Коленчатая пара имеет масляные каналы 11, соединенные радиальным отверстием 12, на коренной шейке 8, с масляной полостью 13 коренной скользящей опоры 14. Каналы служат для подвода масла к скользящим опорам коленчатой пары.
Задняя коленчатая пара (Фигуры 4-6) представляет из себя деталь, все элементы которой выполнены как одно целое, и состоит из щеки 15, выполненной в форме прямоугольного, равнобедренного треугольника, из 2-х противоположно направленных шеек 16, расположенных по обе стороны плоскости щеки, выходящих из 2-х равных углов треугольника. Оси шеек параллельны, перпендикулярны плоскости щеки и под углом 90° расположены друг к другу относительно центра вращения щеки. Продолжением шеек являются цапфы 17, расположенные с ними на одной оси, на которых с помощью скользящих опор 18 установлены зубчатые колеса 19 с возможностью вращения (Фигура 7). Между шейками и цапфами расположены противовесы 20 в виде пластин, они направлены к центру вращения щеки, и плоскости их параллельны плоскости щеки 15. Противовес 20, расположенный ближе к заднему валу 21 отбора мощности, имеет в центре вращения штуцер 22, который связан с масляными каналами 23 коленчатой пары и служит для подвода масла к скользящим опорам. Противовес, расположенный ближе к промежуточному зубчатому колесу 34, в центре вращения имеет монтажное отверстие 24.
Зубчатые неподвижные венцы 25 с внутренним зацеплением устанавливаются в корпусе 26, их плоскости перпендикулярны осям шеек и цапф и параллельны плоскостям щек и противовесов.
В корпусе преобразователя на скользящей опоре 27 расположен задний вал 21 отбора мощности с маховиком (маховик на чертеже не представлен) на внешней стороне и с зубчатым колесом 28 на внутренней стороне, установленным с помощью шлицевого соединения 29. Зубчатое колесо 28 имеет реборду, расположенную на ближней к корпусу преобразователя плоскости, которая удерживает в заданной плоскости зубчатое колесо 28, вала 21 отбора мощности и находящееся с ним в зацеплении зубчатое колесо 19 коленчатой пары. На коренной шейке заднего вала 21 отбора мощности имеется радиальное отверстие 30, соединяющее масляную полость 31 скользящей опоры 27 с осевым отверстием 32, где расположен сальник 33, уплотняющий штуцер 22.
Между передней и задней коленчатыми парами расположено промежуточное зубчатое колесо 34, оно не связано с корпусом преобразователя и находится на одной оси с передним и задним валами отбора мощности. К обеим плоскостям промежуточного зубчатого колеса 34 прилегают реборды 35, зафиксированные в центре зубчатого колеса 34 при помощи крепежных деталей 36. Реборды 35 предотвращают смещение по оси промежуточного зубчатого колеса и всех зубчатых колес, которые находятся с ним во взаимодействии.
Опорное зубчатое колесо 37 расположено в плоскости промежуточного зубчатого колеса 34 и находится в зацеплении с ним и зубчатым неподвижным венцом 25 с внутренним зацеплением. Его роль - обеспечить положение промежуточного зубчатого колеса 34 на оси переднего и заднего валов отбора мощности.
Принцип работы
Заявленный асинхронный преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот работает следующим образом.
Два рядом расположенных под углом 90 друг к другу поршня соединены с верхними головками шатунов при помощи пальцев. Нижние разъемные головки шатунов (на чертеже не представлены) присоединяются к шейкам передней коленчатой пары. При этом поршни в цилиндрах занимают положение верхней и нижней мертвой точки. На цапфе 3 передней коленчатой пары, на скользящей опоре 4, устанавливается зубчатое колесо 5, которое находится в зацеплении с зубчатым неподвижным венцом 25 с внутренним зацеплением и с промежуточным зубчатым колесом 34. Во время рабочего хода одного из поршней шатун оказывает давление на шейку коленчатой пары, которая начинает вращаться вместе с передним валом отбора мощности. Зубчатое колесо 5 коленчатой пары обкатывается по зубьям зубчатого неподвижного венца 25 с внутренним зацеплением и передает вращающий момент промежуточному зубчатому колесу 34. Поршень, совершающий рабочий ход, дойдя до нижней мертвой точки, повернет коленчатую пару на 180°, другой поршень займет положение верхней мертвой точки.
Задняя коленчатая пара устанавливается с другой стороны промежуточного зубчатого колеса 34, ее шейки соединены с шатунами 2-х других поршней, и одно ее зубчатое колесо 19 будет находиться в зацеплении с зубчатым неподвижным венцом 25 с внутренним зацеплением, с которым также взаимодействует зубчатое колесо 5 передней коленчатой пары, и промежуточным зубчатым колесом 34. Второе зубчатое колесо 19 задней коленчатой пары будет находиться в зацеплении с другим зубчатым неподвижным венцом 25 с внутренним зацеплением и с зубчатым колесом 28 заднего вала 21 отбора мощности.
Коленчатые пары размещаются таким образом, что углы между осями четырех шеек 2-х коленчатых пар составляют 90°. Это позволяет равномерно распределить рабочий ход всех 4-х поршней.
Промежуточное зубчатое колесо 34 служит для связи 2-х коленчатых пар и передачи вращающего момента от одной к другой.
Зубчатые колеса 19 задней коленчатой пары размещены между зубчатыми неподвижными венцами 25 с внутренним зацеплением, промежуточным зубчатым колесом 34 и зубчатым колесом 28 заднего вала 21 отбора мощности. Передний вал 8 отбора мощности передней коленчатой пары установлен в корпусе 26 преобразователя на скользящей опоре 14, а зубчатое колесо 5 размещено между зубчатым неподвижным венцом 25 с внутренним зацеплением и промежуточным зубчатым колесом 34. Поэтому при работе исключен перекос и заклинивание.
Для того чтобы промежуточное зубчатое колесо 34 находилось на оси переднего и заднего валов отбора мощности, оно установлено на опорное зубчатое колесо 37, которое находится в зацеплении с зубчатым неподвижным венцом 25 с внутренним зацеплением, а углы между осями опорного зубчатого колеса 37 и 2-х зубчатых колес, находящихся во взаимодействии с промежуточным зубчатым колесом 34, составляют по 135° относительно оси промежуточного зубчатого колеса. Промежуточное зубчатое колесо 34 передает вращающий момент опорному зубчатому колесу 37, которое будет обкатываться по зубчатому неподвижному венцу 25 с внутренним зацеплением.
Для простоты изготовления и монтажа зубчатые колеса на цапфах 2-х коленчатых пар не зафиксированы от сдвига по оси, поэтому во избежание такого сдвига на промежуточном зубчатом колесе 34 установлены реборды 35, расположенные по обе плоскости колеса. Они выполнены в виде тарелок и зафиксированы в центре вращения промежуточного зубчатого колеса 34 при помощи крепежных деталей 36.
Коленчатые пары совершают вращательные движения вокруг собственного центра вращения, а противовесы делают эти движения сбалансированными. Процесс сжатия рабочей смеси в цилиндрах будет облегчен, потому что передаточное отношение зубьев зубчатых колес и зубчатых неподвижных венцов с внутренним зацеплением будет составлять 1:3, а три такта двигателя (выпуск, впуск, сжатие) будут производиться за счет энергии вала отбора мощности и маховика. Имея большую частоту вращения, маховик аккумулирует большое количество энергии. Большой момент инерции маховика обеспечит равномерное движение вала отбора мощности и всей системы двигателя.
Смазка и охлаждение скользящих опор передней коленчатой пары осуществляется маслом, которое по трубопроводу подается от масляного насоса в скользящую опору 14 коренной шейки 8. Из масляной полости 13, через радиальное отверстие 12, оно поступает в масляные каналы 11 коленчатой пары.
Смазка и охлаждение скользящих опор задней коленчатой пары осуществляется маслом, которое от масляного насоса по трубопроводу подается в скользящую опору 27, заднего вала 21 отбора мощности. Из масляной полости 31, через радиальное отверстие 30, оно подается в осевое отверстие 32 вала отбора мощности, где через штуцер 22, расположенный на противовесе 20 и уплотненный сальником 33, поступает в масляные каналы 23 задней коленчатой пары.
Смазка и охлаждение зубьев зубчатых колес преобразователя осуществляется разбрызгиванием масла, выходящего из скользящих опор.