МЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в механизмах для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и в первую очередь в двигателях внутреннего сгорания.
Известен бесшатунный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, содержащий расположенные в корпусе поршень со штоком, центральное колесо с внутренними зубьями, водило и сателлит, установленный на оси в водиле, взаимодействующий с центральным колесом и шарнирно связанный со штоком. Водило выполнено в виде коленчатого вала, шейка которого представляет собой ось сателлита, а функции центрального колеса выполняет муфта с зубьями на внутренней обойме [1].
Особенность кинематики устройства ограничивает сферу его применения. Из-за неравномерности вращающего момента его нельзя применить в двигателях внутреннего сгорания. Равномерность вращающего момента возрастает с увеличением числа сателлитов, что повышает массо-габаритные характеристики.
Близким по функциональному назначению к заявляемому техническому решению является бесшатунный механизм для поршневой машины, содержащий кинематически связанные между собой первый и второй кривошипы, шток поршня и блок шестерен наружного зацепления с передаточным отношением 1:1. Шестерни связаны между собой тягой, один конец которой шарнирно соединен с шатунной шейкой первого кривошипа, а другой - с коренной шейкой первого кривошипа, при этом одна из шестерен наружного зацепления размещена на шейке первого кривошипа [2].
Данное устройство может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное. Однако в связи с тем, что оно построено на основе зубчатых передач, ему присущи все недостатки, которые имеются в этих передачах: отсутствие плавности зацепления повышенный шум, ударные нагрузки, большой износ, выкрашивание и разрушение зубьев, то есть оно обладает недостаточно высокими эксплуатационными характеристиками, что безусловно скажется на работе двигателя.
Наиболее близкой по конструкции и количеству общих признаков с заявляемой полезной моделью является беззазорная механическая передача, содержащая установленную на валах пару находящихся в зацеплении исполнительных колес, одно из которых представляет собой дисковый блок, состоящий из двухступенчатого центрального и двух плоских боковых дисков, в промежутках между которыми по обеим сторонам центрального диска равномерно по окружностям расположены смещенные на половину их углового шага вращающиеся ролики, а другое состоит из двух спаренных в одно целое ступенчатых дисков с равномерно расположенными по окружностям каждого из них и смещенными на половину их углового шага криволинейными пазами [3]. Этот передаточный механизм является ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого устройства.
Обладая целым рядом неоспоримых преимуществ, таких как плавность зацепления, малый износ элементов зацепления (роликов с пазами), работающих по принципу обкатывания их поверхностей, отсутствие между ними зазоров, что снижает шумовые и ударные характеристики, обеспечивает постоянство передаточного отношения, данная передача может быть использована только для передачи крутящего момента с одного вала на другой. Сама по себе она не может быть применена в двигателях внутреннего сгорания для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.
Предлагаемой полезной моделью решается задача разработки устройства для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное для двигателей внутреннего сгорания на основе принципиально новой беззазорной передачи с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат, который достигается при осуществлении полезной модели - это значительное уменьшение износа цилиндров и поршней, снижение массо-габаритных характеристик двигателя внутреннего сгорания, разработанного с использованием заявляемого преобразователя за счет небольшой амплитуды колебаний шатунов и исключения из его конструкции коленчатого вала, что принципиально изменяет конструкцию двигателя, делая его более компактным и менее металлоемким, а также повышение эксплуатационных качеств преобразователя благодаря небольшой амплитуде колебания шатунов и преимуществам беззазорной механической передачи, указанным выше.
Для достижения этого технического результата известный передаточный механизм, содержащий установленную на валах пару находящихся в зацеплении исполнительных колес, одно из которых представляет собой дисковый блок, состоящий из двухступенчатого центрального и двух плоских боковых дисков, в промежутках между которыми по обеим сторонам центрального диска равномерно по окружностям расположены смещенные на половину их углового шага вращающиеся ролики, а другое состоит из двух спаренных в одно целое ступенчатых дисков с равномерно расположенными по окружностям каждого из них и смещенными на половину их углового шага криволинейными пазами, дополнительно содержит вторую пару колес меньшего диаметра, конструктивно выполненных аналогично колесу с роликовыми элементами зацепления, установленных на противоположных концах тех же валов, установленный между этими колесами на оси качания блок двухплечных захватов и равноплечный рычаг, установленный на этой же оси на равном удалении от первой и второй пар колес, плечи которого соединены с поршнями привода возвратно-поступательного движения, при этом блок захватов состоит из двух расположенных на расстоянии друг от друга захватов с лежащими в одной плоскости осями симметрии, жестко соединенных между собой, и выполненными на них идентичными криволинейными поверхностями, по которым поочередно обкатываются ролики второй пары колес. Расстояние между захватами соразмерно толщине центрального диска роликового колеса, а уравнения криволинейных поверхностей захватов заданы функциями углов поворота роликовых колес и захватов, зависящими от радиуса роликов, расстояний от центра роликовых колес до осей вращения роликов и наименьшего расстояния от центра оси качания до образующих рабочих поверхностей захватов.
Отличительными признаками заявляемого механического преобразователя от указанного выше известного ближайшего аналога являются наличие второй пары колес меньшего диаметра, конструктивно выполненных аналогично колесу с роликовыми элементами зацепления, установленных на противоположных концах тех же валов; наличие установленного между этими колесами на оси качания блока двухплечных захватов, а также наличие равноплечного рычага, установленного на этой же оси на равном удалении от первой и второй пар колес, плечи которого через шатуны соединены с поршнями привода возвратно-поступательного движения, при этом блок захватов состоит из двух расположенных на расстоянии друг от друга захватов с лежащими в одной плоскости осями симметрии, жестко соединенных между собой, и выполненными на них идентичными криволинейными поверхностями, по которым поочередно обкатываются ролики второй пары колес. Расстояние между захватами соразмерно толщине центрального диска роликового колеса, а уравнения криволинейных поверхностей захватов заданы функциями углов поворота роликовых колес и захватов, зависящими от радиуса роликов, расстояния от центра роликовых колес до осей вращения роликов и наименьшего расстояния от центра оси качания до образующих рабочих поверхностей захватов.
Благодаря наличию этих признаков при осуществлении полезной модели достигается вышеуказанный технический результат, а именно: повышение эксплуатационных качеств преобразователя (плавность работы, безударность, пониженный износ, а следовательно, и надежность устройства) достигается за счет использования принципа беззазорной механической передачи, в которой зацепляемые элементы (ролики) не скользят, а обкатываются по поверхностям криволинейных пазов колес и по криволинейным поверхностям захватов. Наличие второй пары роликовых колес, блока двухплечных захватов и равноплечного рычага, которые установлены с возможностью качания на общей оси, позволяет осуществить преобразование прямолинейного (возвратно-поступательного) движения поршней привода во вращательное движение пары исполнительных колес. Построенный на основе данного преобразователя двигатель внутреннего сгорания значительно снижает износ цилиндров и поршней, не требует установки коленчатого вала, что придает ему компактность и снижает массо-габаритные характеристики.
Предлагаемый механический преобразователь иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 и 2.
На фиг.1 показан общий вид преобразователя во фронтальной проекции, на фиг.2 - разрез преобразователя по А-А.
Механический преобразователь содержит установленные на валах 1 и находящиеся в зацеплении исполнительные колеса 2 и 3 с передаточным отношением 1:1 с элементами зацепления в виде вращающихся роликов 4 и криволинейных пазов 5, которые расположены равномерно по окружностям соответственно колеса 2 и колеса 3. Колесо 2 представляет собой блок, состоящий из двухступенчатого центрального диска 6 и плоских боковых дисков 7. Между дисками имеются промежутки 8, в которых по обеим сторонам центрального диска 6 установлены ролики 4, посадочными местами которых являются отверстия, выполненные в центральном 6 и боковых дисках 7.
Колесо 3 состоит из двух спаренных в одно целое дисков 9 и 10 с аналогичным промежутком 11 между ними. Криволинейные пазы 5 выполнены равномерно (с одинаковым угловым шагом) по окружностям обоих дисков 9 и 10. Оси вращения роликов 4, расположенных по одну сторону центрального диска 6 смещены на половину их углового шага по отношению к осям вращения роликов, расположенных по другую сторону диска 6. Пазы диска 9 смещены по отношению к пазам диска 10 на половину их углового шага. Промежутки 8 и 11 между дисками соразмерны толщине дисков 6, 9 и 10.
На противоположных концах валов 1 установлена вторая пара колес 12 и 13 меньшего диаметра, конструктивно выполненных аналогично колесу 2 с роликовыми элементами зацепления. Каждое из колес 12 и 13 содержит по три диска 14 с расположенными по окружностям одного и того же радиуса отверстиями - посадочными местами для роликов 15, причем в каждом из двух центральных дисков имеется по четыре отверстия с угловым шагом 90°, а в каждом из четырех боковых дисков - по два отверстия с угловым шагом 180°, выполненных так, что для каждого отверстия центрального диска ось данного отверстия является осью отверстия только одного бокового диска. Между дисками 14 каждого из колес 12 и 13 имеется по два промежутка 16, в каждом из которых установлено по два ролика 15, и поэтому каждое из колес 12 и 13 имеет по два диаметрально противоположных передних ролика (в переднем промежутке) и по два диаметрально противоположных задних ролика (в заднем промежутке), причем оси передних роликов и оси задних роликов находятся в перпендикулярных плоскостях. Колеса 12 и 13 установлены так, что если передние ролики колеса 12 являются его левым и правым роликами, то передние ролики колеса 13 являются его верхним и нижним роликами.
Между колесами 12 и 13 на оси качания 17 установлен блок двухплечных захватов, состоящий из двух расположенных на расстоянии друг от друга двух захватов 18 и 19 с верхними 20 и нижними 21 плечами, разделенных прокладкой 22, жестко соединенных и зафиксированных пластинами 23 так, что их оси симметрии лежат в одной плоскости. Рабочие поверхности 24 и 25 захватов 18 и 19 являются идентичными криволинейными поверхностями, уравнения которых заданы функциями углов поворота роликовых колес 12 и 13 и захватов 18 и 19, зависящими от радиуса r роликов 15, расстояния R от центра роликовых колес 12 и 13 до осей вращения роликов 15 и наименьшего расстояния d от центра оси качания 17 до образующих рабочих поверхностей 24 и 25 захватов 18 и 19. На оси качания 17 на равном удалении от первой и второй пар колес установлен также равноплечный рычаг 26, плечи которого через шатуны 27 и 28 соединены с поршнями 29 и 30 привода возвратно-поступательного движения. Количество равноплечных рычагов 26 в зависимости от количества цилиндров (поршней) привода возвратно-поступательного движения может быть больше одного. Так при четырехцилиндровом приводе (двигателе) потребуется установить два рычага и так далее.
Работа механического преобразователя осуществляется следующим образом.
Для образования кинетической энергии колес 2, 3, 12 и 13, выводящих левые передние ролики колес 12 и 13 из мертвых точек, возникающих соответственно при нижнем и верхнем положениях левых концов рычагов 26, необходимо произвести запуск преобразователя. Для этого ведущее колесо 3 вместе с колесом 13 и нижним валом 1 приводится во вращение, например, по часовой стрелке. При этом ведомое колесо 2 вместе с колесом 12 и верхним валом 1 поворачивается против часовой стрелки, причем нижний задний ролик колеса 12, обкатывая рабочую поверхность 25 верхнего плеча 20 захвата 19, поворачивает этот захват вместе с рычагом 26 и осью 17 по часовой стрелке, а левый передний ролик колеса 12, обкатывая рабочую поверхность 24 верхнего плеча 20 захвата 18, обеспечивает постоянный контакт нижнего заднего ролика колеса 12 с рабочей поверхностью 25 верхнего плеча 20 захвата 19. Вместе с началом указанного движения рычага 26 поршни 29 и 30 начинают движение соответственно вверх и вниз. После поворота колеса 3 на угол от 0° до 90° по часовой стрелке рычаг 26 повернется по часовой стрелке на конструктивно заданный угол α (0°<α<90°). При этом поршни 29 и 30, двигаясь соответственно вверх и вниз, сделают по полному ходу, ведомое колесо 2 вместе с колесом 12 и верхним валом 1 повернется на угол от 0° до 90° против часовой стрелки. Левый передний, нижний задний, правый передний и верхний задний ролики колеса 12 станут, соответственно, его нижним передним, правым задним, верхним передним и левым задним роликами, а нижний передний, левый задний, верхний передний и правый задний ролики колеса 13 станут, соответственно, его левым передним, верхним задним, правым передним и нижним задним роликами.
При повороте ведущего колеса 3 по часовой стрелке на угол от 90° до 180° верхний задний ролик колеса 13, обкатывая рабочую поверхность 25 нижнего плеча 21 захвата 19, поворачивает этот захват вместе с рычагом 26 и осью 17 против часовой стрелки на указанный выше угол a, a левый передний ролик колеса 13, обкатывая рабочую поверхность 24 нижнего плеча 21 захвата 18, обеспечивает постоянный контакт верхнего заднего ролика колеса 13 с рабочей поверхностью 25 нижнего плеча 21 захвата 19. После данного поворота ведущего колеса 3 ведомое колесо 2 вместе с колесом 12 и верхним валом 1 повернется против часовой стрелки на угол от 90° до 180°. Поршни 29 и 30, захваты 18, 19 и рычаг 26 займут первоначальное положение, передние ролики колеса 12 станут его левым и правым роликами, задние - верхним и нижним; передние ролики колеса 13 станут его верхним и нижним роликами, задние - левым и правым. Поэтому при повороте ведущего колеса 3 на угол от (2к)·90° до (2к+1)·90° и угол (2к+1)·90° до (2к+2)·90° (к=1,2,…) все движущиеся элементы преобразователя повторят движения одноименных элементов при повороте, соответственно, на угол от 0° до 90° и угол от 90° до 180°.
Запуск преобразователя заканчивается, когда кинематическая энергия колес 2, 3, 12 и 13 становится достаточной для вывода левых роликов колес 12 и 13 из мертвых точек.
Дальнейшая работа преобразователя происходит по тому же периодическому циклу при выполнении рабочего хода поршня 29 и рабочего хода поршня 30, передающих свое движение через шатуны 27 и 28 соответственно захватам 18 и 19. При этом в первом случае ведущим является колесо 3, а во втором - колесо 2, то есть в процессе работы колеса 2 и 3 меняются ролями. Крутящий момент преобразователя может быть снят с любого из валов 1.
Предлагаемая полезная модель позволяет повысить эксплуатационные качества изделия благодаря преимуществам беззазорной механической передачи. Использование преобразователя в конструкции двигателя внутреннего сгорания дает возможность получить принципиально новый по конструкции двигатель без коленчатого вала со значительным уменьшением его массо-габаритных характеристик и минимальным износом цилиндров и поршней.
Заявляемый в качестве полезной модели преобразователь может быть изготовлен на любом машиностроительном предприятии с использованием отечественных материалов.
Использованные источники
1. Авт.св. СССР №1249245, кл. F16Н 19/02, опубл. 07.08.86
2. Авт.св. СССР №1302051, кл. F16Н 21/16, опубл. 07.04.87
3. Патент на ПМ №84930, кл. F16Н 37/00, опубл. 20.07.09