ПЛАНЕТАРНЫЙ КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ С ЗУБЧАТЫМИ КОЛЕСАМИ ВНУТРЕННЕГО ЗАЦЕПЛЕНИЯ

Область техники, к которой относится полезная модель
Планетарный кривошипно-шатунный механизм с зубчатыми колесами внутреннего зацепления относится к машиностроению. Такой механизм может применяться в поршневых двигателях внутреннего сгорания, насосах и компрессорах.
Уровень техники
Известный широко распространенный кривошипно-шатунный механизм двигателя внутреннего сгорания по причине отсутствия плеча крутящего момента при нахождении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ), которое плавно нарастает по ходу движения поршня в цикле расширения и достигает максимального значения в пределах 80° поворота коленчатого вала после верхней мертвой точки, неспособен эффективно преобразовать высокое давление газов рабочего тела на поршень во вращательное движение коленчатого вала, а также  имеющий недостаток в наличии бокового усилия поршня на стенки цилиндра,  вызывающего дополнительные механические потери и износ.
Предлагаемая модель планетарного кривошипно-шатунного механизма с зубчатыми колесами внутреннего зацепления обладает положительными свойствами известных моделей:
планетарный кривошипно-шатунный механизм с эллиптическими зубчатыми колесами (патент №  RU 197176 U1), который отличается тем, что угол положения водила и шатуна, при котором наступает максимальный крутящий момент, приближен к углу, при котором в цилиндре создается максимальное давление, что повышает эффективность преобразования силы давления на поршень в работу на валу двигателя, имеющий недостатки в наличии бокового усилия поршня на стенки цилиндра,  вызывающего дополнительные механические потери и износ, а также в сложности разработки и изготовления эллиптических зубчатых колес малого размера обладающие достаточной прочностью;
двигатель внутреннего сгорания С. Баландина, в котором преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала осуществляемся бесшатунным силовым механизмом (С. С. Баландин. Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания. М., Машиностроение, 1968), который отличается тем, что при его использовании полностью исключается давление поршня на стенки цилиндра и значительно снижаются нагрузки и трение в кинематических парах механизма на единицу развиваемой мощности, имеющий недостаток в отсутствии плеча крутящего момента при нахождении поршня в верхней мертвой точке, которое плавно нарастает по ходу движения поршня в цикле расширения и достигает максимального значения при 90° угла поворота вала двигателя после верхней мертвой точки положения поршня.
Использование полезной модели решет техническую задачу повышения эффективности преобразования возвратно-поступательного движения поршня под воздействием  давления газа во вращательное движение коленчатого вала за счет повышения крутящего момента на валу кривошипно-шатунного механизма,  сокращения времени движения поршня от верхней до нижней мертвой точки в цикле расширения, что сокращает время нахождения в цилиндре рабочего тела с высокой температурой и снижает тепловые потери двигателя, уменьшается боковое усилие поршня на стенки цилиндра, что приводит к снижению механических потерь, повышению коэффициента полезного действия (КПД) и моторесурса двигателя внутреннего сгорания.
Раскрытие сущности полезной модели
4
2
2
11
2
11
2
6
7
6
7
6
Планетарный кривошипно-шатунный механизм с зубчатыми колесами внутреннего зацепления фиг. 1 (показан схематически) состоит из корончатого зубчатого колеса a (Корона), сателлитового зубчатого колеса a (Сателлит) с соотношением количества зубьев 3:1. Корона неподвижно соединена с корпусом двигателя соосно с центром A вала двигателя. Сателлит находится в зацеплении с Короной, вращается вокруг неё на оси A водила AA. Другая ось A водила является валом двигателя. Шатун AA шарнирно соединен с сателлитом в точке A и с поршнем в точке A, который движется по оси цилиндра вдоль линии a.
Произведены кинематические расчеты крутящего момента u, скорости движения поршня и угла отклонения шатуна в зависимости от положения поршня, начиная от верхней мертвой точки для конструкций кривошипно-шатунных механизмов классического двигателя внутреннего сгорания (Классический), двигателя конструкции С.С.Баландина (С.Баландина) и механизма с зубчатыми колесами внутреннего зацепления (Внутреннее зацепление), представленного в данном предложении. Для сравнения расчетов использованы размеры конструкций кривошипно-шатунных механизмов, обеспечивающих одинаковый ход поршня, равные угловые скорости вращения вала двигателя. Величина крутящего момента на валу двигателя определялась из условия, что на поршень вдоль линии оси цилиндра вниз действует одинаковая (единичная) сила.
Результаты расчетов крутящих моментов на валу двигателя приведены в таблицах: фиг. 2 - для Внутреннего зацепления, фиг. 3 - для С.Баландина, фиг. 4 - для Классической конструкций кривошипно-шатунных механизмов. Аналогичные расчеты проведены для положения поршня, а также угла отклонения шатуна от линии центра цилиндра в зависимости от угла поворота вала (водила).
Из графиков фиг. 5 крутящих моментов на валу двигателя при воздействии на поршень одинаковой силы видно, что Внутреннее зацепление создает значительно большее значение (максимальное 3,997 у.е. по фиг. 2), чем другие конструкции рассматриваемых механизмов (максимальное 2,6 у.е. по фиг. 3) на всем протяжении цикла расширения, что означает увеличение крутящего момента и мощности такого поршневого двигателя внутреннего сгорания при прочих равных условиях.
Из графиков видно, что кривошипно-шатунный механизм Внутреннего зацепления обеспечивает большую скорость движения поршня фиг. 6 и, соответственно, меньший на 33,3% (120°, против 180°) угол поворота вала двигателя, при котором поршень совершает движение от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки фиг. 7 в такте расширения. Это означает, что сокращается время нахождения в цилиндре рабочего тела с высокой температурой, что, в свою очередь, снижает тепловые потери двигателя - повышает коэффициент полезного действия поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Сравнительный анализ графиков угла отклонения шатуна от линии центра цилиндра фиг. 8 показывает, что предлагаемая конструкция Внутреннего зацепления имеет угол отклонения шатуна не более 2° в обе стороны, когда Классический кривошипно-шатунный механизм имеет отклонение порядка 17°. Существенное снижение угла отклонение шатуна в конструкции Внутреннего зацепления приводит к снижению бокового давления поршня на стенки цилиндра, что снижает механические потери на трение и износ - повышается коэффициент полезного действия и моторесурс поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Расчеты проводились без учета дополнительных механических потерь, связанных с вводом дополнительных элементов и подвижных соединений.
Применение предлагаемой конструкции не предполагает необходимости внесения изменений в другие элементы, агрегаты, системы двигателя внутреннего сгорания.
Предлагаемая модель реализуется с помощью универсального оборудования и элементов, широко распространенных в промышленности (зубчатые колеса, валы, оси, подшипники) может быть использована при создании двигателя внутреннего сгорания, насоса или компрессора с повышенными показателями эффективности.