ШЕСТЕРЕННО-РЕЕЧНАЯ ПОРШНЕВАЯ МАШИНА
RACK-AND-PINION PISTON MACHINE

Предлагаемое техническое решение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, производству компрессоров, насосов.
Поршневые машины применяются в качестве двигателей внутреннего сгорания, компрессоров или насосов.
Известно устройство - ДВС (двигатель внутреннего сгорания), основа которого представляет собой КШМ (кривошипно-шатунный механизм), преобразующий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала (Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. / В.П.Алексеев и др. - М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.).
Однако КШМ имеет существенные недостатки: сила от давления газов на поршень не в полной мере используется для вращения коленчатого вала, снижая КПД механизма и двигателя, в мертвых точках возникает «перекладка» поршня - изменение направления действия боковой силы, создающая динамические нагрузки. КШМ конструктивно сложен - имеет несколько нагруженных шарнирных соединений: коренные и шатунные шейки, опоры поршневого пальца, требующие совершенной системы смазки с подачей моторного масла под давлением. Для уравновешивания массы кривошипов необходимо устанавливать противовесы, нужен маховик, накапливающий энергию рабочего хода, обеспечивающий другие такты двигателя, а также прохождение поршня через мертвые точки.
Сила от давления газов на поршень раскладывается на две составляющие: одна по оси шатуна, другая создает боковую нагрузку на поршень, вызывающую потери энергии на трение и износ. Сила, действующая по оси шатуна на шатунную шейку, также раскладывается на две составляющие: одна нагружает коренные шейки, полезную нагрузку - крутящий момент на коленчатом валу создает только вторая составляющая силы, перпендикулярная кривошипу.
Известны бесшатунные двигатели внутреннего сгорания без КШМ на основе авторского свидетельства №118471 (Баландин С.С. Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1972. - 176 с., рис.3-10 и др.). Бесшатунный механизм позволяет конструктивно просто осуществлять при малых габаритах и высокой быстроходности двигателей двусторонний рабочий процесс в цилиндрах и получать вследствие этого почти удвоенную литровую и габаритную мощность.
Однако известный бесшатунный механизм имеет сложную кинематику. В ряде конструкций функции шатунов выполняют ползуны, но в любом случае остается коленчатый вал, который сложно изготовить, его коренные шейки нуждаются в смазке под давлением, между коленчатым и ведущим валами надо устанавливать зубчатые передачи (рис.12), усложняющие конструкцию двигателя.
Известны реечные зубчатые механизмы, взаимосвязанные с поршнями. Первая в мире паровая трехколесная повозка Кюньо имела привод на переднее колесо от двух поршней паровых машин рейками, работающими поочередно. Один из первых двигателей Н.Отто имел вертикальный цилиндр, поршень которого рейкой взаимодействовал с зубчатым венцом вала отбора мощности через обгонную муфту.
Однако эти машины и механизмы были несовершенны, имели невысокий КПД, низкую частоту вращения, а значит и невысокую мощность. Муфты свободного хода недолговечны, они не обеспечивают четкое срабатывание при высокой частоте вращения.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является поршневая машина с шестеренно-реечным механизмом (Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. / В.П.Алексеев и др. - М.: Машиностроение, 1990. - С.262, рис.182, б).
Известно, что такая поршневая машина состоит из цилиндров, расположенных в них противоположно развернутых поршней с шарнирно установленной на каждом поршне зубчатой рейкой, зацепленной с шестерней, закрепленной на валу.
Однако поршневая машина с таким механизмом имеет ограниченные возможности и шестеренно-реечный механизм применяют только как синхронизирующий на быстроходных генераторах газа.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, состоит в расширении возможностей поршневой машины с шестеренно-реечным механизмом.
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что поршневая машина содержит картер с зафиксированными в нем цилиндрами, поршни с зубчатыми рейками, при этом поршни соединены двусторонними зубчатыми рейками, каждая зубчатая рейка редуктором взаимосвязана с коренным валом, редуктор состоит из двух блоков шестерен, опорами вращения установленных на осях, которые планкой закреплены на оси, закрепленной в крышке редуктора, на опоре вращения этой оси установлен корпус согласующей неполной полушестерни с внутренним зацеплением, зацепленной с наружными шестернями блоков, внутренние шестерни блоков зацеплены с двусторонней зубчатой рейкой, на корпусе согласующей неполной полушестерни закреплена шестерня, которая зацеплена с шестерней коренного вала, установленного на опорах вращения.
Предлагаемое техническое решение существенно расширяет возможности поршневой машины, она обратима - позволяет использовать ее как быстроходный высокоэкономичный ДВС, а также как компрессор или насос, в том числе многоцилиндровый,
На фиг.1 показана упрощенная схема шестеренно-реечной поршневой машины в состоянии, когда поршни находятся в крайнем левом положении: левый поршень в ВМТ (верхней мертвой точке), правый поршень в НМТ (нижней мертвой точке). На схеме не показаны газораспределительный механизм, системы охлаждения, смазки и др. На фиг.2 показан поперечный разрез шестеренно-реечной поршневой машины по осям расположения шестерен. Разрез упрощен - не показаны уплотнения, фиксация подшипников, осей и т.д.
В картере 1 со стенками 2 и крышками редуктора 3 зафиксированы цилиндры 4 с головками цилиндров 5 (см. фиг.2 и 1). В цилиндрах 4 установлены поршни 6 с компрессионными и маслосъемными поршневыми кольцами, соединенные двусторонними зубчатыми рейками 7. Рейки 7 зацеплены с внутренними шестернями 8 трубчатого вала 9 блока шестерен с наружными шестернями 10. Для удобства монтажа одна из шестерен 8 или 10 должна быть съемной с трубчатого вала 9 блока (разъем шестерни и трубчатого вала не показан). Трубчатые валы 9 блоков с шестернями 8 и 10 установлены на осях 11 с опорами вращения 12, например роликовые или игольчатые подшипники, они также установлены в опорах вращения 13 в стенках 2 картера. Оси 11 блоков шестерен зафиксированы соединительными планками 14, которые закреплены на осях 15, закрепленных в крышках 3 редуктора. На осях 15 на опорах вращения 16 установлены корпуса 17 согласующих неполных полушестерен 18 с внутренним зацеплением, у которых зубья нарезаны на дуге длиной не более половины длины окружности. На корпусе 17 закреплена шестерня 19, которая зацеплена с шестерней 20, закрепленной на коренном валу 21, установленном на опорах вращения 22 в крышках 3 редуктора.
Предлагаемая шестеренно-реечная поршневая машина работает следующим образом.
1. Режим ДВС. На фиг.1 слева рабочий ход - сила от давления газов сгорающей рабочей смеси в левой части цилиндра 4 действует на левый поршень 6 и нижнее зацепление двусторонней зубчатой рейки 7, зубья которой взаимодействуют с зубьями нижней внутренней шестерни 8, заставляя ее, трубчатый вал 9 блока шестерен, наружную шестерню 10 вращаться по часовой стрелке. Наружная шестерня 10 приводит в движение согласующую неполную полушестерню 18 с внутренним зацеплением, у которых зубья нарезаны на дуге длиной не более половины длины окружности. В это время верхняя внутренняя шестерня 8 с трубчатым валом блока 9 и наружной шестерней 10 вращается вхолостую, так как на левом участке согласующей неполной полушестерни 18 нет зубьев. Крутящий момент от нижней наружной шестерни 10, согласующей неполной полушестерни 18, по ее корпусу 17, по шестерням 19 и 20 поступает на коренной вал 21. Коренной вал 21 передает энергию маховику (не показан), который обеспечивает привод исполнительных и вспомогательных механизмов, а также накапливает часть энергии для осуществления других тактов двигателя. Если двигатель четырехтактный, то в правой полости цилиндра 4 могут происходить или такт выпуска - вытеснения отработавших газов, или такт сжатия воздуха (дизели или бензиновые двигатели с непосредственным впрыском топлива) или сжатия рабочей смеси (карбюраторные или двигатели с централизованным или распределенным впрыском топлива во впускной коллектор). Когда правый поршень 6 достигнет ВМТ, то нижняя наружная шестерня 10 выходит из зацепления с внутренним зацеплением согласующей неполной полушестерни 18, а верхняя наружная шестерня 10 войдет в зацепление с согласующей неполной полушестерней 18 и изменит направление движения двусторонней зубчатой рейки 7.
На фиг.2 показан поперечный разрез восьмипоршневой машины. Четыре редуктора от согласующих неполных полушестерен 18 обеспечивают привод двух шестерен 20 коренного вала 21. Получили компактную, прочную и жесткую конструкцию малой металлоемкости.
2. Режим компрессора или насоса. Прикладывая крутящий момент к коренному валу 21, шестернями 20 приводим в движение шестерни 19 и по корпусу 17 согласующие неполные полушестерни 18. Если зубья полушестерни 18 войдут в зацепление с нижней наружной шестерней 10, то она трубчатым валом 9 блока шестерен вращает внутреннюю шестерню 8 и она перемещает двустороннюю зубчатую рейку 7 из левого положения в правое (см. фиг.1). В правой половине - для компрессора сжатие воздуха (газа) или для насоса вытеснение жидкости, в левой половине - впуск (всасывание) воздуха (газа) или наполнение жидкостью. При этом рейка 7 вращает верхнюю шестерню 8, трубчатый вал 9 блока шестерен и наружную шестерню 10, которая вращается вхолостую, не имея зацепления с согласующей неполной полушестерней 18. Когда согласующая неполная полушестерня 18 выходит из зацепления с нижней шестерней 10 и входит в зацепление с верхней шестерней, то усилие передается на верхний ряд зубьев рейки 7, которая перемещает поршни 6 из правого положения в левое. В левой половине - сжатие воздуха (газа) или вытеснение жидкости, в правой половине - впуск (всасывание) воздуха (газа) или наполнение жидкостью.
Шестеренно-реечная поршневая машина может быть как одноцилиндровая (однопоршневая), так и многоцилиндровая. Компоновка машины позволяет использовать один цилиндр для установки двух оппозитно расположенных поршней. В этом случае достаточно одного редуктора, а крутящий момент можно снимать с корпуса 17 согласующей неполной полушестерни 18, обеспечив выход вала этого корпуса через крышку 3 редуктора. Можно использовать отдельно половину машины, представленной на фиг.2, - оси 11 фиксируются не только соединительными планками 14, но и цилиндрами 8. Получим четырехпоршневую машину. Добавляя такие «половинки», можно получить 12-ти, 16-ти и т.д. поршневые машины. Увеличенный диаметр зубчатого зацепления полушестерни 18 обеспечивает значительный ход двусторонней зубчатой рейки 7 и поршней 6, получаем длинноходную поршневую машину.
Применение многоцилиндровых двигателей позволит получить ДВС большой мощности, при этом произойдет лучшее уравновешивание работы двигателя и потребуется маховик меньшей относительной массы. Многоцилиндровые многоступенчатые компрессоры с последовательным увеличением давления газа можно получить не только за счет количества шестерен и взаимосвязанных с ними зубчатых реек и поршней, но также путем установки ступенчатых поршней.