МЕХАНИЗМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ПОРШНЯ ВО ВРАЩАТЕЛЬНОЕ РЕЕЧНО-ШЕСТЕРЕНЧАТОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
CONVERSION MECHANISM OF PISTON BACK-AND-FORTH MOVEMENT TO ROTATIONAL MOVEMENT WITH RACK-AND-PINION MECHANISM IN INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, а более конкретно - служит для замены кривошипно-шатунного механизма на механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала двигателя двумя реечно-шестеренчатыми передачами.
Известно, что на современных двигателях внутреннего сгорания для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала применяется кривошипно-шатунный механизм. Во время такта расширения усилие от давления газов передается через поршень и поршневой палец на шатун и одновременно боковым усилием прижимает поршень к стенке цилиндра. Усилие, направленное по оси шатуна, через шатунную шейку действует на колено вала, которое разлагается на радиальное усилие, направленное по радиусу кривошипа и прижимающее коренные шейки коленчатого вала к подшипникам, и тангенциальное касательное усилие, направленное перпендикулярно радиусу кривошипа, приложенное к шатунной шейке и вращающее коленчатый вал. У кривошипно-шатунного механизма одним из основных параметров, влияющих на величину передаваемой мощности от давления газов в цилиндре на поршень, является угол поворота коленчатого вала, перемещение поршня и угол отклонения шатуна от оси цилиндра. За рабочий ход поршня коленчатый вал поворачивается на угол от 0 до 180°. Крутящий момент на валу двигателя, который зависит от величины тангенциального касательного усилия, при повороте коленчатого вала от 0 до 90° возрастает от 0 до максимума, а при дальнейшем повороте от 90 до 180° уменьшается до 0. Тепловая энергия, развиваемая внутри цилиндра от давления газов на поршень, преобразуется в механическую работу, часть этой механической энергии затрачивается на преодоление полезных сопротивлений, т.е. на вращение коленчатого вала и приведение в движение потребителей. Остальная часть механической энергии расходуется на преодоление внутренних сопротивлений в двигателе (трение между поршнем и гильзой цилиндра, трение шеек коленчатого вала в подшипниках и т.д.). Часть механической энергии расходуется на увеличение силы движущихся частей механизма, главным образом маховика. Маховик является аккумулятором кинетической энергии с целью ее отдачи для вывода поршней из мертвых точек, облегчает вращение коленчатого вала при пуске двигателя и равномерного его вращения. Чем больше размеры маховика и частота циклов у двигателя, тем меньше колебание угловой скорости.
Конструкция кривошипно-шатунного механизма представляет собой сложное устройство, требующее высокой точности при изготовлении и ухода во время эксплуатации. Конструкция кривошипно-шатунного механизма подробно описана в литературе [Маргулис Ю.Б. Двигатели внутреннего сгорания. Теория, конструкция и расчет. Изд. 2-е. М.: Машиностроение, 1972, с.14, с.97, с.256-296; Шестопалов К.С., Демиховский С.Ф. Легковые автомобили. - М.: ДОСААФ, 1989, с.12-24].
Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и повышение технико-экономических показателей двигателя за счет снижения механических потерь, устранения колебания угловой скорости (соответственно, снижение числа оборотов двигателя) и упрощение конструкции.
Указанная цель достигается тем, что в отличие от известного двигателя внутреннего сгорания, состоящего из блока цилиндров, поршня, поршневого пальца, шатуна и коленчатого вала в предлагаемом двигателе отсутствует коленчатый вал, а усилие от давления газов на поршень и на вращение вала двигателя передается двумя реечно-шестеренчатыми передачами. На боковых сторонах шатуна по разные стороны относительно вала двигателя установлены две зубчатые рейки, которые с шатуном перемещаются вдоль оси цилиндра и постоянно находятся в зацеплении с двумя зубчатыми венцами на валу двигателя с одинаковым количеством зубьев на угле 180°. При перемещении поршня с шатуном зубчатые венцы вращаются навстречу друг другу, а в мертвых точках поршня, одновременно, один зубчатый венец выходит из зацепления с валом двигателя и вращается вхолостую, а второй зубчатый венец входит в зацепление с валом двигателя, передавая ему вращательное движение. Ход поршня ограничивается упорами на зубчатом венце и на зубчатой рейке. На валу двигателя выполнен общий шпоночный паз под два зубчатых венца с углублением в поперечном сечении под ось качающейся шпонки. Шпоночные пазы попарно (под первым и четвертым, вторым и третьим цилиндрах) расположены на одной оси и смещены относительно друг друга на 180°. Шпонка под два зубчатых венца выполнена одной деталью с осью опоры и вращения по центру, а ее плечи расположены под углом друг к другу. Высота шпонки равна глубине паза на валу двигателя, а ее плечи выступают за пределы зубчатой части на венцах и служат опорой для переключения сцепления зубчатого венца с валом двигателя от подпружиненной планки, скользящей по кулачку. В верхней (нижней) мертвых точках поршня одновременно совмещаются в одной плоскости шпоночные пазы на валу двигателя и на зубчатых венцах и усилием подпружиненной планки плечо шпонки утапливается в шпоночном пазу на валу двигателя, выводя из зацепления ранее включенный зубчатый венец, а второе плечо шпонки входит в шпоночный паз на втором зубчатом венце и вводит его в зацепление с валом двигателя.
На фиг.1 изображен общий вид механизма преобразования в продольном разрезе блока цилиндров двигателя, с вырезом для лучшей наглядности конструкции. На фиг.2 изображен вид на механизм снизу с вырезом по оси вала двигателя для наглядности взаимодействия между зубчатыми рейками, зубчатыми венцами и подпружиненными планками с валом двигателя. На фиг.3 изображено сечение механизма, где плечом качающейся шпонки зубчатый венец введен в зацепление с валом двигателя. На фиг.4 изображено сечение механизма, где плечо качающейся шпонки утоплено в шпоночном пазу вала двигателя, зубчатый венец на валу двигателя вращается вхолостую. На фиг.5 изображено положение подпружиненной планки, где зубчатый венец введен в зацепление с валом двигателя. На фиг.6 изображено положение подпружиненной планки, где плечо качающейся шпонки утоплено в пазу вала двигателя и зубчатый венец выведен из зацепления с валом двигателя. На фиг.7 изображено сечение по оси перемещения шатуна по направляющей втулке на валу двигателя. На фиг.8 изображена форма качающейся шпонки на виде сбоку в шпоночном пазу на валу двигателя в увеличенном масштабе для наглядности. На фиг.9 изображено положение плеча качающейся шпонки с заходными фасками, утопленного в пазу вала двигателя и форма паза в зубчатом венце в увеличенном масштабе.
Механизм преобразования возвратно-поступательного движения размещается в картере 1 блока цилиндров. В поперечных перегородках картера расположены разъемные гнезда 2 под подшипники 3, которые на валу двигателя 4 от осевого перемещения крепятся подпружиненными кольцами 5. На валу двигателя под каждым цилиндром установлены 2 зубчатых венца 6 и 7, которые поочередно входят в зацепление с валом двигателя качающейся шпонкой 8, а с зубчатыми рейками 9 и 10 находятся в постоянном зацеплении. Зубчатые рейки расположены на шатуне 11 по разные стороны относительно вала двигателя. Хвостовая часть шатуна 11 с профилем прямоугольной формы и продолговатым вилкообразным пазом вдоль оси скользит по направляющей втулке 12 на валу двигателя, а боковыми поверхностями - между торцевой поверхностью на зубчатых венцах 6 и 7. В хвостовой части концы шатуна 11 скреплены планкой 13. На торцевой части зубчатых венцов 6 и 7 выступают кулачки 14 и 15, по которым скользят подпружиненные планки 16 и 17, от усилия которых в верхней и нижней мертвых точках поршня качающейся шпонкой 8 с заходными фасками передается сцепление с валом двигателя от одного зубчатого венца на другой. На валу двигателя между кулачками и подпружиненными кольцами 5 установлены шайбы 18. Зубчатые венцы должны без заедания свободно вращаться на утопленном плече шпонки 8. На зубчатых венцах 6 и 7, симметрично относительно оси и шпоночного паза, имеется упор 19, который упирается в торцевой выступ 20 на концах зубчатых реек 9 и 10 в крайних верхней и нижней мертвых точках поршня 21. На кулачках 14 и 15 перпендикулярно оси зубчатого венца сняты лыски над шпоночным пазом. Подпружиненные планки 16 и 17 скользят по направляющим на кронштейнах 22 и 23, которые крепятся в разъемном гнезде 2. Планки 16 и 17 скользят по поверхности кулачков 14 и 15, а на участке снятой лыски на кулачках от усилия пружины 24 плечо качающейся шпонки утапливается в шпоночном пазу на валу двигателя. Давление газов на поршень 21 передается через поршневой палец 25 на верхнюю головку шатуна 11.
Работа механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршня на вращение вала двигателя двумя реечно-шестеренчатыми передачами описаны на примере четырехтактного двигателя с порядком работы цилиндров 1-3-4-2, принятом у большинства двигателей, в которых поршни совместно с шатунами попарно (первый с четвертым и второй с тертьим) совершают возвратно-поступательное движение. В крайних верхней и нижней точках поршня одновременно ранее включенный в зацепление зубчатый венец выходит из зацепления, а второй зубчатый венец входит в зацепление с валом двигателя. Порядок работы механизма приведен в таблице.
Таблица 1.
Порядок работы реечно-шестеренчатого механизма в четырехцилиндровом двигателе и последовательность включения в работу зубчатых венцов 6 и 7 с валом двигателя.
уголповорота вала
цилиндры
1
2
3
4
0-180
раб. ход
выпуск
сжатие
впуск
6
7
6
7
6
7
6
7
вкл.
откл.
откл.
вкл.
откл.
вкл.
вкл.
откл.
180-360
выпуск
впуск
раб. ход
сжатие
6
7
6
7
6
7
6
7
откл.
вкл.
вкл.
откл.
вкл.
откл.
откл.
вкл.
360-540
впуск
сжатие
выпуск
раб. ход
6
7
6
7
6
7
6
7
вкл.
откл.
откл.
вкл.
откл.
вкл.
вкл.
откл.
540-720
сжатие
раб. ход
впуск
выпуск
6
7
6
7
6
7
6
7
откл.
вкл.
вкл.
откл.
вкл.
откл.
откл.
вкл.
Порядок работы механизма рассмотрим на примере последовательности включения в зацепление зубчатых венцов с валом двигателя в такт рабочего хода в первом цилиндре, когда поршень находится в верхней мертвой точке:
зубчатый венец 6 находится в зацеплении с валом двигателя 4 качающейся шпонкой 8 и зубчатой рейкой 9, а зубчатый венец 7 вращается на валу двигателя вхолостую (шпонка 8 утоплена в пазу вала двигателя). В такт рабочего хода в первом цилиндре сила давления газов передается на поршень 21 через поршневой палец 25, шатун 11, зубчатую рейку 9, зубчатый венец 6, шпонку 8 на вращение вала двигателя 4, создавая на нем крутящий момент. Зубчатый венец 7 вращается вхолостую на валу двигателя в противоположную сторону, при этом плечо качающейся шпонки 8 утоплено в шпоночном пазу вала двигателя 4 и наружной поверхностью скользит по внутренней поверхности зубчатого венца 7, а планка 17 скользит по кулачку 15 и сжимает пружину 24. В нижней мертвой точке поршня упор 19 на зубчатом венце 6 упирается в торцевой выступ 20 на зубчатой рейке 9, как показано на фиг.3, а упор 19 на зубчатом венце 7 упирается на торцевой выступ 20 на зубчатой рейке 10, как показано на фиг.4, при этом шпоночные пазы на зубчатых венцах 6 и 7 и шпоночный паз на валу двигателя 4 совмещаются в одной плоскости. От усилия подпружиненной планки 16 плечо качающейся шпонки 8 утапливается в шпоночном пазу на валу двигателя 4, выводя из зацепления зубчатый венец 6 с валом двигателя, а второе плечо шпонки 8 введет в зацепление зубчатый венец 7 с валом двигателя 4. Заходные фаски на шпонках 8 и профиль шпоночного паза по форме трапеции на зубчатых венцах 6 и 7 позволяют осуществлять самоцентрацию зубчатых венцов относительно зубчатых реек, увеличить время переключения сцепления зубчатых венцов с валом двигателя и, соответственно, увеличить число оборотов двигателя. Динамические удары упоров 19 на зубчатых венцах 6 и 7 и выступы 20 на концах зубчатых реек 9 и 10 компенсируются усилиями сжатия рабочей смеси в других цилиндрах (в нашем случае в тертьем цилиндре). Так заканчивается рабочий ход в первом цилиндре: поршень 21 переместится из верхней в нижнюю мертвую точку, а вал двигателя 4 совершит пол-оборота от 0° до 180°. В четвертом цилиндре поршень переместился в нижнюю мертвую точку в такт «впуск», во втором и третьем цилиндрах поршни переместились в верхнюю мертвую точку, соответственно совершены такт «выпуск» и «сжатие». Под каждым цилиндром подпружиненными планками 16 или 17 поменялось сцепление зубчатых венцов 6 и 7 с валом двигателя 4, качающейся шпонкой 8. На угле 180°-360° от усилия рабочего хода в третьем цилиндре (см.таблицу) поршень 21 перемещается вниз и через поршневой палец 25, шатун 11 зубчатую рейку 9, зубчатый венец 6, шпонку 8 вал двигателя 4 продолжает вращаться в том же направлении, а в первом цилиндре зубчатый венец 7 вращается в противоположном направлении. При вращении вала зубчатый венец 7 в первом цилиндре перемещает зубчатую рейку 10 вместе с шатуном 11, поршневым пальцем 25 и поршнем 21 в верхнюю мертвую точку. В верхней мертвой точке поршня упор 19 на зубчатом венце 7 упирается в торцевой выступ 20 на зубчатой рейке 10, а упор 19 на зубчатом венце 6 упирается в торцевой выступ 20 на зубчатой рейке 9, при этом шпоночные пазы на зубчатых венцах 6 и 7 и шпоночный паз на валу двигателя 4 совмещаются в одной плоскости. Под усилием подпружиненной планки 17 плечо качающейся шпонки 8 утапливается в шпоночном пазу на валу двигателя 4, выводя из зацепления зубчатый венец 7 с валом двигателя, как показано на фиг.4, а второе плечо шпонки 8 введет в зацепление зубчатый венец 6 с валом двигателя 4. Поршень 21 и механизм преобразования возвратно-поступательного движения возвращены в первоначальное положение и вал двигателя повернулся на 360°. Следующие два полуоборота (360°-540° и 540°-720°) вала двигателя произойдут от рабочего хода в цилиндрах четвертом и втором в последовательности, аналогичной описанной выше, с порядком работы механизмов, указанным в таблице.
С применением механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршня на вращение вала двигателя двумя реечно-шестеренчатыми передачами во время такта расширения усилие давления газов передается вдоль оси цилиндра и направлено по касательной к шестерне вала двигателя, придавая ему вращаеттельное движение, что доводит до минимума механические потери энергии за счет отсутствия усилия прижима поршня к стенкам цилиндра, отсутствия радиального усилия, направленного по радиусу кривошипа, и за счет устранения потерь мощности, возникающих от влияния угла поворота коленчатого вала и от угла отклонения шатуна от оси цилиндра. Отсутствие в реечно-шестеренчатом механизме дорогостоящего коленчатого вала и споряженных деталей упрощает конструкцию двигателя.