БЕСШАТУННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И СПОСОБ УСТРАНЕНИЯ ЗАКЛИНИВАНИЯ ЕГО МЕХАНИЗМА
ENGINE WITHOUT CONNECTING ROD AND METHOD TO ELIMINATE JAMMING OF ITS MECHANISM

Изобретение относится к поршневым машинам с бесшатунным механизмом преобразования движения и может быть использовано в их конструкциях.
Известен кривошипно-ползунный четырехзвенный прямолинейно направляющий механизм Скот-Рассела, в котором имеется равенство звеньев. При вращении одного из звеньев вокруг неподвижной оси конечная точка другого звена описывает прямолинейную траекторию [1]. Ниже рассматриваемые механизмы построены на его основе.
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, расположенными 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 [2].
Известен двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала со звездообразно расположенными цилиндрами, поршни которых жестко связаны между собой штоками, сочлененными через подшипники со средними шейками коленчатого вала, имеющего вращение крайних шеек с перемещением поршневых систем и связывающих их штоков по оси противолежащих цилиндров, отличающийся тем, что рабочий вал двигателя выполнен из двух частей с кривошипами, несущими подшипники для закрепления на них на радиусе одной четверти хода поршней крайних шеек коленчатого вала и снабжен соединительным валом, фиксирующим с помощью шестерен положение кривошипов обеих частей рабочего вала относительно друг друга [3], прототип.
Известна книга, С.С.Баландин, "Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания" [4].
Автор, будучи руководителем проекта, построил и испытал двигатели внутреннего сгорания с использованием механизмов, описанных в источниках [2] и [3]. Он отмечал, что основным условием бесперебойной работы двигателей с бесшатунным силовым механизмом является обеспечение гарантированных зазоров между трущимися поверхностями, заполненных несущей масляной пленкой, предохраняющей поверхности от износа и заклинивания. Способом достижения данного условия является технологическое повышение точности исполнения номинальных размеров и требований по соосности и концентричности элементов бесшатунного механизма.
Известна статья, И.П.Седунов, "Конструктивный анализ бесшатунных двигателей Баландина и пути их совершенствования" [5]. Автор исследует влияние движущихся масс, в частности комплекта поршней на преобразование и накопление энергии. Прямолинейное возвратно-поступательное движение одного комплекта поршней преобразуется в возвратно-поступательное движение другого комплекта поршней. Поршни представляют собой маховичные накопители энергии, их период разгона от нуля до максимальной линейной скорости достигается в течение четверти оборота коленчатого вала. Накопленная энергия непрерывно циркулирует, переходя из потенциальной в кинетическую и наоборот, что в предложенных им схемах позволяет максимально эффективно использовать силы инерции поступательно движущихся масс. Он, правда, не исследует влияние кинетической энергии коленчатого вала, вращающегося вокруг оси крайних шеек, который может быть дополнительно оснащен маховиком.
Известна статья, И.М.Кошелев и др., "Бесшатунный карбюраторный двигатель" [6].
Известны другие успешные, а также неудачные разработки и отзывы о них в Интернете на Сайте "Ассоциация Экспериментальной Авиации" в разделе "Альтернативные двигатели и рабочие процессы" [7].
Опыт, оценки и отзывы специалистов и практиков по данной теме использованы в предлагаемой заявке на изобретение.
Общий недостаток всех разработанных и построенных двигателей с бесшатунным механизмом преобразования движения - сложность обеспечения высоких технологических требований в комплектующих его деталях. Температурные деформации корпуса и деформации от рабочего процесса также влияют на показатели качества работы таких двигателей, особенно, на переходных режимах. Сборка серийно изготовленных деталей в узлы преобразования движения не обеспечивает их работоспособности без индивидуальной подгонки сопрягаемых деталей, прежде всего поверхностей штоков поршней и их направляющих элементов, именно на которых происходит интенсивный износ и задиры, приводящие иногда к заклиниванию механизма.
Задачей изобретения является преодоление препятствий, приводящих к нестабильной работе бесшатунного двигателя, в частности к износу его деталей и заклиниванию механизма, а также повышение его удельной мощности.
Технический результат достигается тем, что бесшатунный двигатель, содержащий корпус со звездообразно установленными на нем как минимум шестью цилиндрами, в который помещен и закреплен в нем взаимодействующий поверхностями своих элементов со штоками поршней узел направляющих, а в последний установлен коленчатый вал, имеющий равномерно расположенные по окружности с центром в оси его крайних шеек кривошипы, по числу пар цилиндров, которые шарнирно соединены со штоками поршней противолежащих цилиндров, причем, коленчатый вал имеет осевое вращение крайних шеек и орбитальное вращение по радиусу четверти хода поршней и обеспечивает посредством кривошипов перемещение поршневых систем и связывающих их штоков, а крайние шейки коленчатого вала на радиусе одной четверти хода поршней шарнирно соединены с рычагами, выполненного из двух частей рабочего вала, помещенного в ось орбиты коленчатого вала, отличающийся тем, что синхронизация частей рабочего вала осуществляется посредством равномерного распределения нагрузок от действия газовых сил на шейки кривошипов коленчатого вала по обе стороны от его середины, шарнирно сопряженные с парными штоками поршней, взаимодействующих с поверхностями элементов узла направляющих, а части рабочего вала являются валами отбора мощности, равномерно распределенной между ними.
На фиг.1 показан общий вид бесшатунного двигателя.
На фиг.2 показан узел направляющих.
На фиг.3 показан коленчатый вал с одним из установленных на него маховиков и штоки поршней в сборе, сопряженные с его кривошипами.
На фигурах для наглядности некоторые элементы показаны в разрезе, не все одноименные элементы показаны, элементы крепления показаны частично, подшипники, уплотнения не показаны. Не показаны также элементы систем двигателя, не относящиеся к предмету данного изобретения.
Бесшатунный двигатель (см. фиг.1-3) состоит из корпуса 1, на котором установлены цилиндры 2, в которые помещены поршни 3, имеющие посредством серег 4 шарнирную связь со штоками 5-1…5-n, взаимодействующих с направляющими элементами 6-n одноименного узла 6, изображенного на фиг.2, установленного в корпус 1 и скрепленного с ним сопряжением элементов 6-1 и 6-2, в котором элементы 6-1…6-n скреплены винтами 7 и зафиксированы втулками 8. Внутрь узла направляющих 6 помещен коленчатый вал 9, кривошипы которого сопряжены со штоками 5-1…5-n, один из которых, 5-1 в данной схеме с числом цилиндров восемь, выполнен двойной ширины, а штоки 5-n - двойные, т.е. одному поршню принадлежит два штока. На крайних шейках коленчатого вала 9 установлены маховики 10. Крышки 11 с установленными в них частями выходного вала 12, на которые установлены шкивы 13, закреплены на элементах 6-1 и 6-2 узла направляющих 6. Ремни 14 находятся в сопряжении со шкивами 13.
Работа бесшатунного двигателя заключается в преобразовании возвратно-поступательного движения поршней, помещенных в цилиндры и получающих энергию от теплового расширения газов во вращательное движение выходного вала, и происходит на условии, обратном условию работы механизма Скот-Рассела [1], а именно: при прямолинейном возвратно-поступательном движении конечной точки механизма, в котором имеется равенство звеньев, конечная точка другого звена описывает окружность и аналогична работе известного двигателя [3], с той разницей, что синхронизация частей выходного вала в нем осуществляется посредством равномерного распределения нагрузок от действия газовых сил на шейки кривошипов коленчатого вала по обе стороны от его середины, шарнирно сопряженные с парными штоками поршней, взаимодействующих с поверхностями элементов узла направляющих.
Бесшатунный двигатель работает следующим образом.
В установленных в корпус 1 цилиндрах 2 поршни 3, имеющие возможность перемещения и получающие энергию от теплового расширения газов, посредством серег 4, штоков 5, находящихся в контакте с направляющими 6, передают движение на коленчатый вал 9, воздействуя на кривошипы, равномерно расположенные на окружности с центром в оси его крайних шеек, заставляя его вращаться в этой оси и выполнять орбитальное вращение по радиусу четверти хода поршней, которое передается на выходной вал 12, состоящий из двух частей, помещенный в ось орбиты коленчатого вала 9 и имеющий рычаги на радиусе четверти хода поршней, шарнирно сопряженные с его крайними шейками. Вращение частей выходного вала 12 посредством механической передачи (на фиг.1 изображена передача с использованием шкивов 13 и зубчатых ремней 14) с определенным передаточным отношением передается на вал потребителя механической энергии.
Узел направляющих 6 (см. фиг.2) состоит из элементов 6-1…6-n, определяющих угловые и осевые положения штоков 5. Поверхности его элементов, взаимодействующие со штоками 5, имеющими антифрикционные накладки (не показаны), упрочнены, к ним по каналам под давлением подается гидравлическая смазка для заполнения зазора пары элемент направляющей - накладка штока несущей масляной пленкой.
Маховики 10 установлены на крайних шейках коленчатого вала 9. Вращаясь вместе с ним в оси его крайних шеек, они обеспечивают равномерность его вращения и уменьшают амплитуду циклических нагрузок от воздействий поршневых систем на него.
Части рабочего вала 12, сопряженные с крайними шейками коленчатого вала 9, исполнены с балансировочными противовесами как одно целое, которые полностью или частично уравновешивают вращающийся в оси своих крайних шеек и выполняющий орбитальное вращение по радиусу четверти хода поршней коленчатый вал 9, а также устраняют дисбаланс, возникающий в механизме от перемещения поршневых систем. Для полной балансировки бесшатунного двигателя балансировочными противовесами могут быть оснащены диски маховиков, принадлежащие шкивам 13, установленные на наружных частях рабочего вала, которые обеспечивают как равномерность осевого вращения его частей, так и равномерность орбитального вращения коленчатого вала 9, шарнирно в оси крайних шеек с ним связанного, уменьшая амплитуду циклических нагрузок от воздействий поршневых систем на него.
Для устранения влияния на работу бесшатунного двигателя тепловых деформаций и деформаций от рабочего процесса, возникающих в корпусе 1, предусмотрено, что в цилиндрах 2 поршни 3 имеют возможность самоустанавливаться благодаря тому, что они сопряжены со штоками 5 посредством серег 4.
Сборка бесшатунного двигателя производится поэтапно. Вначале элементы его кинематической схемы предварительно собраны на стенде в единый силовой блок с учетом их фактических размеров, в сопрягаемых поверхностях установлены требуемые зазоры, элементы 6-1…6-n узла направляющих 6 ориентированы по углу и положению и скреплены винтами 7. Потом силовой блок разобран, и по подготовленным поверхностям элементы 6-1…6-n узла направляющих 6 зафиксированы от смещения втулками 8. При окончательной сборке узел направляющих 6 помещен в корпус 1 и закреплен в нем, а элементы кинематической схемы бесшатунного двигателя восстановлены в тех позициях, в которых предварительно были собраны в силовой блок на стенде.
Предложенная конструкция бесшатунного двигателя позволяет исключить из его кинематической схемы синхронизирующие шестерни и связывающий их вал, что снижает его габаритные и весовые характеристики. Способ устранения заклинивания его механизма определяет его устройство и позволяет получить стабильные характеристики его работы.
Источники информации
1. И.И. Артоболевский, "Механизмы в современной технике" в 7 томах, том 2, Москва, "Наука", 1979, стр.471, механизм 1466.
2. Описание изобретения к авторскому свидетельству №164756 - Бесшатунный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, опубл. 19.07.1964.
3. Описание изобретения к авторскому свидетельству №118471 - Двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, опубл. 10.12.1973.
4. С.С.Баландин, "Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания", Москва, "Машиностроение", 1972, стр.11.
5. И.П.Седунов, "Конструктивный анализ бесшатунных двигателей Баландина и пути их совершенствования", Санкт-Петербург, Двигателестроение (журнал), №1, 2000.
6. И.М.Кошелев и др., "Бесшатунный карбюраторный двигатель", Санкт-Петербург, Двигателестроение (журнал), №2, 1982.
7.  (адрес в Интернете).