БЕСШАТУННЫЙ КРИВОШИПНЫЙ МЕХАНИЗМ ДВИГАТЕЛЯ
ENGINE CON-ROD-FREE CRANK MECHANISM

Изобретение относится к бесшатунным механизмам преобразования возвратно-поступательных движений, например, поршней во вращательное движение выходного вала, а также, наоборот, - вращательного движения вала в возвратно-поступательные движения поршней, и может быть использовано в конструкциях двигателей внутреннего сгорания и других поршневых машин.
Известен бесшатунный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, содержащий корпус, сдвоенные оппозитно расположенные поршни с общим штоком и ведущую шестерню, отличающийся тем, что он содержит вторую пару оппозитно расположенных поршней с общим штоком, пересекающуюся с первой парой, а ведущая шестерня выполнена цилиндрической и снабжена двумя цапфами, распложенными диаметрально противоположно на противоположных плоскостях диска шестерни и соединенными каждая со средней частью соответствующего штока, а также содержит планетарную передачу, выполненную в виде расположенной внутри корпуса на подшипниках солнечной шестерни с внутренним венцом, входящим в зацепление с ведущей цилиндрической шестерней и внешним венцом, входящим в зацепление с ведомым элементом [1].
Недостаток бесшатунного механизма преобразования движения - сложность обеспечения высоких технологических требований в комплектующих его деталях.
Известен бесшатунный механизм преобразования вращения, содержащий два кривошипных вала, два штока, соединенные кривошипными головками с поршнями, а средними головками - с кривошипной осью среднего кривошипного вала и гипоциклический механизм, отличающийся тем, что в бесшатунном механизме преобразования вращения применен планетарный механизм обратного хода, содержащий неподвижную коронную шестерню с внутренним венцом, подвижное водило с тремя цапфами и три сателлитные шестерни с внешним венцом, установленные на цапфах, из которых третья сателлитная шестерня состоит из двух венцов с передаточным числом 2/3 или кратно 12/18, в целом взаимосвязанных кинематически со штоками, образуя с ними единый бесшатунный планетарно-кривошипный механизм преобразования вращения в двигателе внутреннего сгорания всех разновидностей и типов [2], прототип. Недостатками известного механизма преобразования вращения являются:
- сложность кинематической схемы;
- большие габариты многоцилиндрового двигателя, построенного на его основе.
Задачей изобретения является создание бесшатунного кривошипного механизма для компактной и легкой многоцилиндровой конструкции двигателя.
Технический результат достигается тем, что бесшатунный кривошипный механизм двигателя, содержащий корпус с установленными в нем и связанных штоками-водилами двумя кривошипными валами, в осях кривошипов которых по обе стороны их шеек установлены (выполнены) шестерни, находящиеся в зацеплении с сателлитными шестернями таких же параметров, шарнирно установленных в штоках-водилах, причем ось сателлитных шестерен в них находится на равных расстояниях от осей кривошипов, а в сателлитных шестернях на их наружных боковых поверхностях выполнены кривошипы, имеющие смещение от их оси, равное смещению шеек кривошипных валов, а последние упомянутые кривошипы шарнирно связаны с двойными штоками самоустанавливающихся поршней, установленных в цилиндры, находящиеся в одной оси и закрепленные на корпусе.
На фиг.1 показан общий вид многоцилиндрового двигателя с бесшатунным кривошипным механизмом.
На фиг.2 показан бесшатунный кривошипный механизм многоцилиндрового двигателя без корпуса (для наглядности).
На фиг.3 показан кривошипный вал.
На фиг.4 показаны сателлитные шестерни.
На фиг.5 показаны поршни в сборе с двойными штоками.
На фиг.6 - фиг.9 показаны положения элементов бесшатунного кривошипного механизма двигателя в цикле его работы.
На графических фигурах, для наглядности, некоторые одноименные элементы не показаны, элементы крепления, подшипники, уплотнения не показаны. Не показаны также элементы систем двигателя, не относящиеся к предмету данного изобретения.
Бесшатунный кривошипный механизм двигателя (см. фиг.1 - фиг.5) состоит из корпуса 1, в котором установлены связанные штоками-водилами 2 и 3 кривошипные валы 4, в осях кривошипов которых установлены (выполнены) шестерни 5 и 6, находящиеся в зацеплении с сателлитными шестернями 7 и 8, шарнирно установленными в штоках-водилах 2 и 3. Сателлитные шестерни 7 и 8 своими кривошипами шарнирно связаны с двойными штоками 9 и 10 поршней 11 и 12, установленных в цилиндры 13 и 14, закрепленные на корпусе 1, причем поршни одной из сторон связаны со штоками 9 и 10 посредством промежуточных серег-штоков 9-1 и 10-1. Шарнирно установленный в корпусе 1 выходной вал 15 имеет посредством шестерни 16 зубчатое зацепление с шестернями 17 и 18, установленными на кривошипных валах 4.
Работа бесшатунного кривошипного механизма двигателя заключается в преобразовании возвратно-поступательного движения поршней, помещенных в цилиндры и получающих энергию от теплового расширения газов во вращательное движение выходного вала.
Бесшатунный кривошипный механизм двигателя работает следующим образом (см. фиг.1, фиг.2).
В установленных в корпус 1 цилиндрах 13 и 14 поршни 11 и 12, имеющие возможность перемещения и получающие энергию от теплового расширения газов, посредством двойных штоков 9 и 10, шарнирно связанных с кривошипами сателлитных шестерен 7 и 8, шарнирно установленных в штоки-водила 2 и 3, передают им движение, заставляя вращаться и вращать посредством зубчатого зацепления шестерни 5 и 6, а с ними и кривошипные валы 4, а последние, связанные посредством зубчатого зацепления шестерен 17 и 18 с шестерней 16, вращают выходной вал 15.
На фиг.5 показаны поршни 11 в сборе с двойными штоками 9, причем, поршни 11 с одной из сторон шарнирно соединены с двойными штоками 9 посредством промежуточных серег-штоков 9-1, позволяющих им при перемещениях самоустанавливаться в цилиндрах 13, закрепленных на корпусе 1, таким образом компенсируя погрешности в расположении элементов механизма, возникающие в процессе их изготовления, сборки и тепловых деформаций.
Работу бесшатунного кривошипного механизма двигателя поясняют графические изображения фиг.6 - фиг.9.
На фиг.6 изображен бесшатунный кривошипный механизм двигателя в положении его элементов, когда поршни 11 слева находятся в верхних мертвых точках (ВМТ), а справа - в нижних мертвых точках (НМТ) по терминологии, принятой в двигателестроении для обозначения их положения. Величина смещения осей кривошипов валов 4 равна величине смещения оси кривошипа сателлитной шестерни 7 и обозначена l. Смещение поршней 11 от среднего положения, когда они находятся на одинаковом расстоянии от плоскости, в которой расположены оси кривошипных валов 4, обозначено m. Кривошипные валы 4 имеют возможность вращения в осях A и B. Для данной графической фигуры и для последующих фигур в простейшем исполнении могут отсутствовать поршни 11 и сателлитная шестерня 7, изображенные внизу, а шток-водило 2 с двух сторон может быть укорочен.
При перемещении поршней 11 вправо от положения, изображенного на фиг.6 (см. фиг.7), шток 9, связывающий противоположные поршни 11 и имеющий шарнир, сопряженный с кривошипом сателлитной шестерни 7, передает ей движение, заставляя поворачиваться в выбранном против часовой стрелки направлении, а имеющую с ней зубчатую связь шестерню 5 и вал 4 - на такой же угол по часовой стрелке (показан поворот шестерен на угол α=90 градусов). При этом ось кривошипа сателлитной шестерни 7 постоянно находится в пересечении с общей осью поршней 11 и перпендикулярна ей, выполняя движение по радиусу, равному величине l, в то время как шток-водило 2 выполняет параллельные смещения по такому же радиусу, равному величине l, находясь в шарнирной связи с кривошипными валами 4. В данном случае величина m смещения поршней 11 равна двойной величине смещения оси кривошипа сателлитной шестерни 7 (m=2l).
При дальнейшем движении поршней 11 вправо (см. фиг.8) произойдут повороты сателлитной шестерни 7 и шестерни 5 с валом 4 на угол α=180 градусов в разных направлениях от положения, изображенного на фиг.6. Поршень 11, находящийся слева, придет в НМТ, а поршень 11, находящийся справа, - в ВМТ, пройдя каждый путь, равный 2m, что равно 4l.
На фиг.9 изображены положения элементов бесшатунного механизма двигателя при обратном (справа - налево) движении поршней 11.
Минимально необходимой схемой бесшатунного кривошипного механизма двигателя может бить схема однопоршневого исполнения, в которой, как и в многопоршневых схемах с одним штоком-водилом, в процессе работы будут присутствовать неуравновешенные массы.
Уравновесить механизм позволяет построение бесшатунного кривошипного механизма двигателя по схеме, приведенной на фиг.1 - фиг.3.
На фиг.1 изображен общий вид многоцилиндрового двигателя с бесшатунным кривошипным механизмом, а на фиг.2 изображен бесшатунный кривошипный механизм двигателя, в котором, для наглядности, корпус не показан. В механизме кривошипные валы (см. фиг.3) содержат по три пары шестерен, причем оси кривошипов средних пар смещены на угол 180 градусов по отношению к кривошипам крайних пар, при этом смещение кривошипов в средней паре может быть увеличено, а средние поршни могут иметь увеличенный диаметр с целью рационального уравновешивания. Движения уравновешенных, находящихся в противофазе масс, приводят во вращение кривошипные валы, что в двигателе с предлагаемым бесшатунным кривошипным механизмом не требует применения дополнительных противовесов для балансировки.
Источники информации
1. Описание изобретения к авторскому свидетельству №164756 - Бесшатунный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, опубл. 19.07.1964.
2. Описание изобретения к патенту №2398121 С2 - Бесшатунный планетарно-кривошипный преобразователь вращения для двигателей (вариант 3-й), опубл. 27.08.2010.