РЕЕЧНЫЙ МЕХАНИЗМ
RACK MECHANISM

Область техники
Изобретение относится к машиностроению, а именно к механизмам передачи движения, используемым в поршневых двигателях внутреннего сгорания (ДВС), в частности к механизму преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот.
В общем случае, реечный механизм предназначен для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот с использованием силовых магнитных полей постоянных магнитов.
Предшествующий уровень техники
Известны изобретения, направленные на решение задач усовершенствования реечных механизмов преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и на оборот, раскрытие в патентах RU 2103532 МПК6 F02B 75/32, F16H 19/04, приоритет от 09.07.1993; RU 2044168 МПК6 F16H 19/04, F16H 21/18, приоритет от 15.04.1994; RU 2188956 МПК7 F01B 9/00, F02B 75/32, приоритет от 04.04.2000; RU 2189472 МПК7 F02B 75/32, F16H 19/04, приоритет от 25.10.2000; RU 2348815 МПК F01B 9/00, приоритет от 16.07.2007. Существенным недостатком таких устройств являются сложные кинематические схемы, служащие для постоянной кинематической связи шестерни с зубчатой рейкой, сложность конструкции, значительные габариты и вес.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному изобретению является устройство поршневой машины для использования в компрессорах и двигателях внутреннего сгорания, раскрытое в патенте RU 2299989 - МПК F01B 9/00, приоритет от 25.05.2005. Устройство содержит корпус, зубчатый планетарный механизм преобразования возвратно-поступательного движения и на оборот с фигурной зубчатой рейкой, ведущее зубчатое колесо, взаимодействующее с рейкой, цилиндр и размещенный в нем поршень с шатуном, соединенным с рейкой, причем шатун выполнен гибким с возможностью прогиба в зависимости от давления на поршень и присоединен к дальней от поршня стороне рейки.
Недостатком этой конструкции также является сложная кинематическая схема, служащая для постоянной кинематической связи шестерни с зубчатой рейкой, сложность конструкции.
Раскрытие изобретения
Заявленное устройство реечного механизма преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и на оборот основано на использовании силовых магнитных полей постоянных магнитов.
Техническим результатом является расширение арсенала средств. Заявленное устройство упрощает кинематическую схему реечных механизмов за счет использования силовых магнитных полей постоянных магнитов, при этом позволяет улучшить контакт и обеспечить постоянную кинематическую связь между ведущей зубчатой шестерней с фигурной внутренней зубчатой рейкой шатуна без каких-либо поддерживающих устройств.
Заявленный технический результат достигается за счет использования силовых магнитных полей постоянных магнитов, в результате чего снижается нагрузка на элементы конструкции, обеспечивающие работу реечного механизма, что влечет за собой снижение ударных нагрузок в зоне верхней мертвой точки (ВМТ) и нижней мертвой точки (НМТ), соответственно снижения потребления топлива, снижения токсичности выхлопных газов и повышения крутящего момента ДВС.
Технический результат достигается тем, что реечный механизм содержит блок цилиндров, вращающийся выходной вал, установленный в блоке цилиндров в местах разъемных опорных поверхностей, выполненный сборным, включающим вал, с жестко установленными на выходном валу подшипниками посредством переходных втулок, имеющих на площади прилегания к постоянному магниту пазы для фиксации магнита, постоянный магнит, установленный в переходных втулках, имеющий аксиальное намагничивание, боковых кольцевых накладок, имеющих на площади прилегания к постоянному магниту, установленному в переходных втулках и ведущей зубчатой шестерни, пазы для фиксации магнита, выполняющих функцию рабочей поверхности ведущих зубчатых шестерен, ведущих зубчатых шестерен, имеющих на площади прилегания к постоянному магниту, пазы для фиксации магнита и постоянный магнит, также имеющий аксиальное намагничивание, установленный в ведущей зубчатой шестерне, причем рабочие поверхности кольцевых накладок шестерен, имея от постоянных магнитов, установленных на сборном валу, намагниченные разноименные полюса, расположенные вдоль оси вращения вала, разноименными полюсами находятся в постоянной магнитной и кинематической связи с внутренними рабочими поверхностями фигурных накладок сборного шатуна, состоящего из шатуна с фигурной внутренней зубчатой рейкой и боковых фигурных накладок, причем на шатуне на площади прилегания накладок имеются пазы для их фиксации и неподвижного неразборного соединения с шатуном, при этом боковые фигурные накладки шатуна, выполняют функцию внутренней рабочей поверхности шатуна, которые взаимодействуя через кольцевые накладки шестерен с индуцирующим полем постоянных магнитов, установленных на сборном валу, обладая способностью к самопроизвольному намагничиванию и созданию собственного магнитного поля с разноименными полюсами, расположенными вдоль оси вращения вала и шатуна, вместе контакта индукция у намагниченных рабочих наружных поверхностей боковых кольцевых накладок ведущей зубчатой шестерни и намагниченных рабочих внутренних поверхностей боковых фигурных накладок шатуна противоположны полюсам по наименованиям, разноименными полюсами находятся в постоянной магнитной и кинематической связи с рабочими поверхностями боковых кольцевых накладок ведущей зубчатой шестерни, обеспечивая постоянное внутреннее зубчатое зацепление между ведущей шестерней и фигурной зубчатой рейкой шатуна.
Таким образом, ведущая зубчатая шестерня выходного вала и фигурная зубчатая рейка шатуна, имеющие между собой внутреннее зубчатое зацепление, под действием силовых магнитных полей постоянных магнитов, концентрируемых на рабочих поверхностях боковых кольцевых накладок ведущей зубчатой шестерни и на рабочих поверхностях боковых фигурных накладок шатуна, находятся в постоянной магнитной и кинематической связи между собой без каких-либо поддерживающих устройств, обеспечивая при этом преобразование вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот, без отрыва зубьев ведущей шестерни от внутренних зубьев фигурной рейки шатуна.
Предложенный реечный механизм содержит сборный выходной вал, с жестко закрепленными на его оси посредством переходных втулок подшипниками, изготовленных из немагнитного материала, постоянных магнитов, имеющих аксиальное намагничивание и разноименные полюса (S и N) вдоль оси вращения выходного вала, изготовленных с возможностью работы в условиях высокой температуры (рабочая температура магнита 180 градусов по Цельсию) в форме колец. Также реечный механизм содержит боковые кольцевые накладки, изготовленные из ферромагнитного материала, обладающих высокой магнитной проницаемостью и способностью к самопроизвольному намагничиванию, выполняющих функцию создания направления магнитного поля на наружную рабочую поверхность кольцевых накладок шестерни и функцию рабочей поверхности накладок шестерни. Кроме того, реечный механизм содержит ведущие зубчатые шестерни, изготовленные из немагнитного материала. Переходные втулки, боковые накладки шестерен и сами зубчатые шестерни, на площади прилегания к магниту имеют пазы (углубление) для фиксации магнита.
Сборный фигурный шатун, состоит из фигурного шатуна, изготовленного из немагнитного материала, имеющего фигурную внутреннюю зубчатую рейку, и боковых фигурных накладок, изготовленных из ферромагнитного материала, обладающих высокой магнитной проницаемостью и способностью к самопроизвольному намагничиванию, при этом на площади прилегания к шатуну накладок шатун имеет пазы (углубление) для их фиксации и неподвижного неразборного соединения с шатуном, которое может быть выполнено различным способом: сваркой, пайкой, склеиванием, склепыванием, развальцовкой и отбортовкой, посадками с натягом.
Причем за счет возбужденного путем индукции через ферромагнитные накладки шестерни магнитного поля от постоянных магнитов, установленных на сборном валу, ферромагнитные фигурные накладки шатуна сами делаются магнитом и создают собственное магнитное поле с аксиальным намагничиванием и разноименными полюсами, расположенными вдоль оси вращения шатуна. Указанные ферромагнитные фигурные накладки шатуна, обладающие высокой магнитной проницаемостью и способностью к самопроизвольному намагничиванию, выполняют функцию создания направления магнитного поля на внутреннюю рабочую поверхность накладок, и функцию рабочей поверхности накладок шатуна, в результате чего в месте контакта накладок шестерни и накладок шатуна индукция у намагниченных рабочих поверхностей противоположны полюсами по наименованиям, в связи с чем они притягиваются друг к другу, обеспечивая постоянный магнитный контакт и кинематическую связь между ведущей зубчатой шестерней и фигурной внутренней зубчатой рейки шатуна без каких-либо поддерживающих устройств.
Таким образом, вращающаяся сборная шестерня при движении поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ) взаимодействует только с одной стороной фигурной внутренней зубчатой рейки, а при обратом движении поршня от НМТ до ВМТ, вращающаяся сборная шестерня взаимодействует только с противоположной стороной фигурной внутренней зубчатой рейки, при этом шатун с фигурной внутренней зубчатой рейкой отклоняется от оси цилиндра на различную величину во время всего хода поршня. При движении поршня зубья фигурной внутренней рейки шатуна действуют на зубья вращающейся шестерни, стремясь повернуть шестерню. При этом на зубья рейки действуют силы реакции, направление которых различно во время хода поршня. Силы реакции, действующие на шатун, стремятся повернуть шатун в ту или иную сторону в зависимости от положения поршня относительно мертвых точек. Для работы зацепления между зубьями рейки и шестерни точное удержание шатуна в строго заданном положении используются силовые магнитные поля постоянных магнитов, концентрируемые на наружных поверхностях рабочих боковых кольцевых накладок ведущей зубчатой шестерни и внутренних рабочих поверхностях боковых фигурных накладок шатуна, тем самым обеспечивая постоянный магнитный контакт и кинематическую связь между ведущей зубчатой шестерней и фигурной внутренней зубчатой рейкой шатуна без каких-либо поддерживающих устройств. Указанным обеспечивается преобразование вращательного движения в возвратно-поступательное, и наоборот, без отрыва зубьев ведущей шестерни от зубьев фигурной внутренней рейки шатуна с минимальными механическими потерями.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1 представлен общий вид заявленного изобретения, на фиг. 2 - представлен вид устройства по разрезу А-А.
Позиции на фигурах обозначены:
1 - блок цилиндров,
2 - разъемные опорные поверхности блока цилиндров,
3 - подшипник, установленный в разъемной опорной поверхности блока цилиндров,
4 - выходной вал,
5 - переходные втулки,
6 - постоянный магнит, установленный в переходных втулках;
7 - паз (углубление) для фиксации магнита в переходных втулках,
8 - боковые кольцевые накладки шестерни,
9 - паз (углубление) для фиксации магнита в боковых накладках шестерни,
10 - постоянный магнит, установленный в зубчатой шестерне,
11 - паз (углубление) для фиксации магнита в шестерне,
12 - ведущая зубчатая шестерня,
13 - шатун (сборный),
14 - боковые фигурные накладки шатуна,
15 - паз (углубление) для фиксации накладок шатуна,
16 - фигурная внутренняя зубчатая рейка шатуна.
Устройство реечного механизма преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот с использованием силовых магнитных полей постоянных магнитов содержит блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания 1, где в местах разъемных опорных поверхностей блока цилиндров 2, установлены подшипники 3 и расположен сборный выходной вал 4. На оси вала 4 посредством переходных втулок 5, имеющих пазы 7 для фиксации магнитов, жестко установлены постоянные магниты 6 в форме колец. Магниты имеют аксиальное намагничивание с разноименными полюсами (N и S) вдоль оси вращения. Также на валу 4 установлены ведущие зубчатые шестерни 12, включающие постоянные магниты в форме колец 10, которые имеют аксиальное намагничивание с разноименными полюсами (S и N) вдоль оси вращения. Ведущая зубчатая шестерня 12 имеет пазы 11 для фиксации магнита 10 и боковые ферромагнитные накладки 8, которые имеют пазы 9 также для фиксации магнитов 6 и 10. Накладки 8 обладая магнитной проницаемостью, и, путем индукции магнитного поля от постоянных магнитов 6 и 10, установленных на сборном валу 4, создают собственное магнитное поле, в результате накладки 8 сами делаются магнитом с аксиальным намагничиванием и разноименными полюсами (N и S), расположенными вдоль оси вращения вала 4, выполняют функцию рабочей поверхности накладок 8 шестерни 12, и функцию создания направления магнитного поля одновременно на наружную рабочую поверхность накладок 8 шестерни 12 и внутреннюю рабочую поверхность боковых фигурных накладок 14 сборного шатуна 13, имеющих с шатуном пазы 15 для их фиксации и неподвижного неразборного соединения. Накладки 14 обладая магнитной проницаемостью, и, путем индукции магнитного поля от постоянных магнитов 6 и 10, установленных на сборном выходном валу 4 через накладки 8 шестерни 12, создают собственное магнитное поле, в результате накладки 14 также сами делаются магнитом с аксиальным намагничиванием и разноименными полюсами (S и N), расположенными вдоль оси вращения шатуна, выполняют функцию создания направления магнитного поля на внутреннюю рабочую поверхность накладок 8 шестерни 12, и функцию рабочей поверхности накладок 14 сборного шатуна 13, для постоянного магнитного контакта и кинематической связи с рабочей поверхностью боковых накладок 8 шестерни 12 с боковыми фигурными ферромагнитными накладками 14 сборного шатуна 13.
Боковые кольцевые ферромагнитные накладки 8 ведущей зубчатой шестерни 12 с помощью силовых магнитных полей постоянных магнитов обеспечивают постоянный и неразрывный магнитный контакт и кинематическую связь с боковыми ферромагнитными фигурными накладками 14 шатуна 13, а ведущая зубчатая шестерня 12 с помощью зубьев, находясь в постоянном зацеплении с внутренними зубьями фигурной внутренней зубчатой рейки шатуна 16, выполняют преобразование вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот, без отрыва зубьев ведущей шестерни от внутренних зубьев фигурной рейки шатуна.
Осуществление изобретения
Работа реечного механизма преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот, с использованием силовых магнитных полей постоянных магнитов происходит следующим образом. При вращении ведущей зубчатой шестерни, намагниченные ферромагнитные накладки 8 шестерни 12, под действием силовых магнитных полей постоянных магнитов, находясь разноименными полюсами (N и S - S и N) в постоянной магнитной и кинематической связи с намагниченными ферромагнитными боковыми фигурными накладками 14, имеющими неподвижное неразборное соединение со сборным шатуном 13, находящиеся в зацеплении с фигурной внутренней зубчатой рейки 16 шатуна 13 с зубьями ведущей шестерни 12, сборный шатун 13, перемещается в продольном направлении, совершая возвратно-поступательные движения, выполняет работу цилиндропоршневой группы.
Постоянный магнит изготавливают из железа, стали, чугуна и других сплавов железа.
За счет выполнения реечного механизма с постоянным магнитом с аксиальным направлением намагничиваемой поверхности, а также боковых ферромагнитных накладок, которые имеют высокую магнитную проницаемость, то есть, обладая малым магнитным сопротивлением по сравнению с воздушным пространством. Магнитное поле концентрируется в основном по стенкам ферромагнитных накладок, а именно на наружные рабочие поверхности боковых кольцевых накладок зубчатых шестерен и на рабочие внутренние поверхности боковых фигурных накладок шатунов, которые расположены друг к другу разноименными полюсами, в результате происходит постоянное достаточно прочное их сцепление между собой без каких-либо поддерживающих устройств.
Поэтому следует отметить, что для исключения нарушения и искажения, направления силовых магнитных полей постоянных магнитов, концентрируемых на рабочих наружных поверхностях боковых кольцевых накладках сборных зубчатых шестерен и на рабочих внутренних поверхностях боковых фигурных накладках сборных шатунов, боковые кольцевые накладки ведущих зубчатых шестерен и боковые фигурные накладки шатунов выполнены из ферромагнитного материала, а также потери величины магнитных сил, выходной вал, подшипники, переходные втулки, зубчатые шестерни и шатуны с фигурной внутренней зубчатой рейкой изготовлены из немагнитного материала, то есть с отрицательной магнитной восприимчивостью (диамагнетик).
Ферромагнетик - это вещества, изготовленные из железа, никеля, кобальта и др., которые имеет высокую магнитную проницаемость, то есть обладают самопроизвольной намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий магнитного поля. При внесении куска железа во внешнее магнитное поле все элементарные магнитные поля в этом железе ориентируются одинаково во внешнем магнитном поле, образуя собственное магнитное поле. Так кусок железа становится магнитом.
Заявленное изобретение позволяет использовать силовые магнитные поля разноименных полюсов притяжения постоянных магнитов для постоянного внутреннего зацепления между зубьями ведущей зубчатой шестерни 12 выходного вала 4 и внутренними зубьями фигурной внутренней зубчатой рейки 16 сборного шатуна 13 при возвратно-поступательном движении без каких-либо поддерживающих устройств, а также избавиться от традиционного коленчатого вала кривошипно-шатунного механизма, что, в свою очередь в целом снизит на 70% вес всего данного механизма, снизит нагрузку с деталей и механизмов, которые обеспечивают работу кривошипно-шатунного механизма ДВС, а именно снизит ударные нагрузки в зоне верхней мертвой точки (ВМТ) и нижней мертвой точки (НМТ), соответственно снизит потребление топлива, снизит токсичность выхлопных газов, повысит крутящий момент ДВС, при этом повысит общий КПД двигателя.
Эксплуатация предложенного реечного механизма удобна, оптимальна и позволяет использовать унифицированную систему кривошипно-шатунного механизма двигателя внутреннего сгорания в течение долгого времени.
Конструкция реечного механизма за счет внесения минимальных изменений в конструкцию ДВС, может применяться во всех ДВС и позволяет переоснастить в условиях ремонтного салона уже существующие двигатели любых марок. Предполагается использование в ДВС любых производителей в автомобилестроении, судостроении и т.д.
Источники информации
1. Интернет. (https://ru.m.wikipedia.org/wiki/Кривошипно-шатунный механизм) материал из Википедии.
6
2. Изобретение, патент RU 2103532 «Механизм преобразования движения поршневого двигателя внутреннего сгорания», МПК F02B 75/32, F16H 19/04, приоритет от 09.07.1993.
6
3. Изобретение, патент RU 2044168 «Механизм преобразования движения вращательного движения в возвратно-поступательное и на оборот», МПК F16H 19/04, F16H 21/18, приоритет от 15.04.1994.
4. Изобретение, патент RU 2188956 «Поршневая машина», МПК7 F01B 9/00, F02B 75/32, приоритет от 04.04.2000.
7
5. Изобретение, патент RU 2189472 «Устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное», МПК F02B 75/32, F16H 19/04, приоритет от 25.10.2000.
6. Изобретение, патент RU 2299989 «Поршневая машина», МПК F01B 9/00, приоритет от 25.05.2005.
7. Изобретение, патент RU 2348815 «Поршневая машина», МПК F01B 9/00, приоритет от 16.07.2007.