МОДУЛЬНЫЙ АВИАЦИОННЫЙ БЕСШАТУННЫЙ ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

Настоящая полезная модель относится к машиностроению и может быть применимо при разработке конструкций авиационных двухтактных поршневых двигателей со встречно-движущимися поршнями в рабочей камере.
Из уровня техники известен двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания (GB 605225 A, МПК F01B 7/14, опубл. 19.07.1948,), содержащий корпус со встречно движущимися поршнями в рабочих камерах цилиндров, связанными кривошипно-шатунными механизмами со своими коленчатыми валами, а также устройство синхронизации вращения валов, состоящее из зубчатого колеса, связанного с установленными на валах шестернями.
В известном решении на двигатель действуют переменные по величине и направлению неуравновешенные силы инерции возвратно-поступательно движущихся и вращающихся масс, которые негативно влияют на двигатель, вызывая повышенный износ деталей, их усталостные разрушения, ослабление болтовых соединений и пр. Кроме того, конструкция известного двигателя имеет ограниченные функциональные возможности.
В качестве прототипа заявителем выбран бесшатунный двухтактный двигатель внутреннего сгорания (RU 2251008 C2, МПК F02B 75/32, опубл. 27.04.2005) со встречно-движущимися поршнями в рабочих камерах прямоугольной формы, по меньшей мере, с двумя рабочими камерами, установленными между двух картеров, в которых помещены 3 коленчатых вала, совмещенных с шестернями синхронного вращения, причем средние коленчатые валы в каждом картере совмещены шестернями, составляющими редуктор для передачи вращения рабочему валу, шейки кривошипов коленчатых валов попарно помещены в криволинейные пазы коромысел, на которых установлены штоки с поршнями, помещенными в рабочие камеры
В выбранном за прототип двигателе проблема вибрации в целом решена за счет конструктивного выполнения коромысла, позволяющего взаимно уравновесить переменные инерционные силы поступательно-движущихся и вращающихся масс. При этом указанное конструктивное выполнение соединения «шейка кривошипа - направляющие пазы коромысла» не защищает шейки кривошипов от радиальных ударных нагрузок, таким образом, существенно ускоряя износ деталей. Кроме того, конструкция прототипа очень сложна и имеет ограниченные функциональные возможности.
Задача настоящей полезной модели является устранение недостатков прототипа.
Техническим результатом является создание универсальной модульной конструкции двигателя, позволяющей исключить в нем вибрации, биения, обеспечить быструю замену вышедшего из строя элемента конструкции, упростив и ускорив тем самым процесс ремонтного обслуживания, а также получить возможность оперативно регулировать в зависимости от выполняемых задач мощность двигателя, что в совокупности своей обеспечивает повышение эксплуатационных характеристик двигателя.
Для достижения указанного технического результата, авиационный бесшатунный поршневой двигатель содержит, по меньшей мере, один основной модуль с размещенной в его корпусе цилиндро-поршневой группой и валами, торцы которых выполнены с осевыми зубчатыми выступами и шлицевыми отверстиями, совпадающими по конфигурации с упомянутыми выступами, а также устройство синхронизации вращения валов основного модуля, которое выполнено в виде отдельного модуля, в корпусе которого установлено соосно два зубчатых колеса, каждое из которых имеет свою пару шестерней, выполненных с конфигурацией, позволяющей образовать шлицевые соединения с одинаковыми по направлению вращения валами основного модуля, причем, зубчатые колеса снабжены центральными частями движителей, с которыми жестко связаны таким образом, что последние образуют между собой соосную схему расположения, при этом цилиндро-поршневая группа основного модуля включает цилиндр с размещенными внутри него встречно-движущимися поршнями, жестко соединенными со штоками, а также рейками с прямолинейными направляющими пазами, каждая из которых выполнена за одно целое со штоком, ползуны, размещенные в направляющих пазах с возможностью синхронного поступательного перемещения во взаимнопротивоположном направлении, и выполненные с отверстиями, в которых с возможностью вращения расположены пальцы образующих между собой зубчатое соединение парных шестерней валов.
Выполнение механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней в виде горизонтальной рейки, выполненной за одно целое с ориентированным перпендикулярно центральной части ее плоскости штоком, и кинематически связанной посредством расположенных в направляющих пазах пальцев образующих между собой зубчатое соединение парных шестерней валов - позволяет обеспечить динамическое уравновешивание двигателя, при котором равнодействующие (результирующие) силы и моменты этих сил равны нулю. Таким образом, исключается вибрация всей конструкции двигателя, что позволяет уменьшить износ цилиндро-поршневой группы.
Взаимодействие пальцев парных шестерней с пазами рейки через ползуны, размещенные в направляющих пазах рейки с возможностью синхронного поступательного перемещения, - обеспечивает плотное и надежное прилегание контактных поверхностей ползунов к контактным поверхностям направляющих пазов рейки, что позволяет исключить радиальные биения пальцев, и повысить, таким образом, их износостойкость.
Движитель зубчатого колеса может представлять собой лопастной винт, причем, соосная схема расположения центральных частей винтов позволяет дополнительно понизить уровень вибраций двигателя, что достигается в результате суммирования колебаний одного и другого винтов таким образом, что максимумы амплитуд вибраций одного с некоторым сдвигом совпадают с минимумами другого, компенсируя реактивные моменты, возникающие от каждого из винтов.
Выполнение торцевых частей валов с осевыми зубчатыми выступами и шлицевыми отверстиями, совпадающими по конфигурации с зубчатыми выступами валов, позволяет создать универсальную модульную конструкцию двигателя. Благодаря такому выполнению достигается возможность дополнительного присоединия к корпусу основного модуля необходимого количества таких же однотипных модулей, или, наоборот, отсоединения, что приводит к повышению мощности двигателя или, соответственно, снижению, - в зависимости от выполняемых задач. Кроме того, указанное конструктивное выполнение валов основного модуля позволяет механически сместить рабочие циклы цилиндров присоединяемых модулей на требуемую величину. Модульность конструкции также позволяет упростить ремонт двигателя возможностью оперативной замены вышедшего из строя, как основного модуля, так и устройства синхронизации валов основного модуля благодаря выполнению его в виде отдельного модуля, в корпусе которого установлено соосно два зубчатых колеса, каждое из которых имеет свою пару шестерней, выполненных с конфигурацией, позволяющей образовать шлицевые соединения с одинаковыми по направлению вращения валами основного модуля.
Настоящее изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:
фиг.1 - общая схема модуля двигателя;
фиг.2 - сечение модуля по продольной оси валов;
фиг.3 - сечение модуля по поперечной оси валов;
фиг.4 - общий вид модуля с устройством синхронизации и отбора мощности;
фиг.5 - сечение модульного соединения двигателя по продольной оси валов.
Бесшатунный поршневой двигатель представляет собой модульную конструкцию, содержащую корпус (на фиг. не показан) с неподвижно установленным в нем цилиндром 1 (фиг.1), в рабочей камере 2 которого располагаются ответно закрепленные на штоках 3 поршни 4 (фиг.2). Шток 3 каждого поршня 4 связан со своей рейкой 5 и выполнен с ней за одно целое. Рейка 5 имеет прямолинейные направляющие пазы 6, в которых располагаются ползуны 7, имеющие возможность возвратно-поступательного движения в пазах 6. Ползуны 7 снабжены центральными отверстиями, в каждом из которых на подшипнике качения (на фиг. не показаны) установлен палец 8 парной шестерни 9 вала 10 (фиг.3). Торцы валов 10 имеют с одной стороны осевые зубчатые выступы 11 и с другой стороны - шлицевые отверстия 12, конфигурация которых совпадает с конфигурацией выступов 11. Парные шестерни 9, имеющие общую рейку 5, образуют между собой зубчатую пару, с помощью которой жесткая система «поршень-шток-рейка» совершает возвратно-поступательные движения через пальцы 8. Синхронизация поступательного движения ответно расположенных систем «поршень-шток-рейка» достигается благодаря устройству синхронизации, которое представляет собой отдельный модуль. Устройство синхронизации (фиг.4) содержит корпус (на фиг. не показан) с установленной внутри одноосной парой зубчатых колес 13, 14 и шестернями 15, 16, 17, 18 имеющими попарно зацепление с одним из зубчатых колес (шестерни 15, 16 - с колесом 13, и шестерни 17, 18 - с колесом 14, соответственно) и образующими зубчатые передачи «шестерня-зубчатое колесо-шестерня». Зубчатые колеса 13, 14 образуют жесткие парные осевые соединения со ступицами - 19, 20, которые являются центральными частями движителей, и образуют между собой соосную схему расположения.
Заявленный бесшатунный поршневой двигатель работает следующим образом.
При нахождении поршней в верхних мертвых точках (ВМТ) в рабочую камеру впрыскивается топливо, что задает движение рабочего хода поршням 4, которые через штоки 3 перемещают рейки 5 в шестернях 9. При этом ползуны 7 совершают возвратно-поступательные движения внутри пазов реек 5, а пальцы 8 шестерней 9 вращаются в противоположные стороны, преобразуя возвратно-поступательное движение ползунов 7 во вращательное движение шестерней 9. Движение поршней 4 от ВМТ до нижней мертвой точки (НМТ) и обратно соответствует движениям ползунов 7 и реек 5 соответственно из среднего верхнего положения в крайнее (правое или левое в зависимости от направления ползуна) среднее положение, через среднее и нижнее положение до исходного положения. Шестерня 9 по своим параметрам подбирается таким образом, чтобы момент инерции шестерни позволял выводить поршень 4 из ВМТ и НМТ.
Заявленная конструкция позволяет при необходимости, в зависимости от выполняемых задач, присоединить к основному модулю один или несколько таких же модулей (фиг.5). Присоединение осуществляется, например, посредством ответного совмещения зубчатых выступов валов основного модуля со шлицевыми отверстиями валов присоединяемого модуля.