Планетарный кривошипно-шатунный механизм с эллиптическими зубчатыми колесами

Область техники, к которой относится полезная модель
Планетарный кривошипно-шатунный механизм с эллиптическими зубчатыми колесами относится к машиностроению. Такой механизм может применятся в поршневых двигателях внутреннего сгорания и компрессорах.
Уровень техники
Известный кривошипно-шатунный механизм двигателя внутреннего сгорания по причине отсутствия плеча крутящего момента в верхней мертвой точке, которое плавно нарастает по ходу движения поршня в цикле расширения, неспособен эффективно преобразовать высокое давление газов рабочего тела на поршень во вращательное движение коленчатого вала.
Предлагаемая модель планетарного кривошипно-шатунного механизма с эллиптическими зубчатыми колесами объединила в себе положительные свойства известных моделей:
планетарный кривошип (патент RU 160779 U1), который отличается тем, что положение поршня в верхней мертвой точке соответствует положению водила и шатуна под углом к вертикальной оси по направлению его вращения, что повышает крутящий момент в такте расширения, недостатком которого является малое плечо крутящего момента по причине нахождения опорной точки взаимодействия солнца и сателлита на линии между осью водила и осью нижней шейки шатуна на расстоянии радиуса делительной окружности солнца;
двигатель внутреннего сгорания с эллиптическими (овальными) зубчатыми колесами (патент RU 118690 U1), отличающийся тем, что сокращение времени прохождения коленчатым валом первых 70º его оборота, начиная от положения, при котором поршень находится в верхней мертвой точке, приводит к повышению эффективности двигателя внутреннего сгорания, имеющий недостаток в том, что в положении поршня в верхней мертвой точке отсутствует плечо крутящего момента коленчатого вала.
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, когда поршень находится вблизи верхней точки,  при этом также сокращается время движения поршня от верхней до нижней точки за один оборот вала двигателя, что сокращает время нахождения в цилиндре рабочего тела с высокой температурой и снижает тепловые потери двигателя.
Возможность предлагаемой модели изменить соотношение времени цикла всасывания и сжатия может быть использована для повышения эффективности компрессора.
Раскрытие сущности полезной модели
Планетарный кривошипно-шатунный механизм с эллиптическими зубчатыми колесами (на фиг. 1 показан в исходном положении)  состоит из двух эллиптических зубчатых колес одинаковых по размерам, форме эллипса и количеству зубьев - солнца 1 и сателлита 3. Солнце неподвижно соединено с корпусом двигателя соосно своим центром с валом двигателя. Сателлит находится в зацеплении с солнцем, вращается вокруг него на оси водила 2 соосной с центром сателлита. Другая ось водила является валом двигателя. Шатун 4 шарнирно соединен с сателлитом в точке В и с поршнем 5 – в точке А. В исходном состоянии солнце и сателлит взаимно расположены так, что большие и малые оси одного колеса перпендикулярны осям другого колеса, а положение их относительно направляющей движения поршня таково, что угол положения водила, при котором наступает максимальный крутящий момент, приближен к углу, при котором поршень находится в верхней точке и в цилиндре создается максимальное индикаторное давление газов.
Произведен расчет крутящего момента на валу двигателя в зависимости от угла поворота вала и индикаторного давления рабочего тела двигателя. Данные параметров индикаторного давления применены из научно-технической литературы.
Для расчета приняты следующие исходные данные согласно (фиг. 2).
1
1
АВ=100 мм, ОМ=12 мм, ОМ=9мм, ОВ=8мм, угол начального положения солнца Δ=-1рад.(-57°).
Угол отклонения шатуна
ϕ
где  - угол поворота водила (вала двигателя),
- угол поворота сателлита вокруг оси .
,
где из параметрического уравнения эллипса
Положение поршня рассчитывается по формуле
1
Для нахождения крутящего момента продлим линию OOдо пересечения с продлением линии шатуна АВ в точке Р.
ш
р
В точке Р от давления газов на поршень действуют сила F– по направлению линии шатуна АВ и сила F– перпендикулярно линии ОР с углом между ними .
1
По теореме синусов находим сторону ОР треугольника
1
Крутящий момент силы, действующей на водило в точке О
О1
1
О1
М=ОО*F,
О1
1
где F – сила, действующая на плечо водила ОО.
где .
Подставляя найденные выражения, получаем формулу крутящего момента на валу двигателя от угла поворота водила, при действии на поршень вертикально вниз силы F.
Подстановкой вместо силы F значений индикаторного давления рабочего тела двигателя, получаем условную работу за 0,1 рад. угла поворота водила, а сумма этих произведений дает значение условной работы за полный оборот вала двигателя. Для упрощения расчетов допущено, что индикаторное давление и крутящий момент за время между расчетными точками остается постоянным.
Проведенные расчеты с исходными данными за цикл поворота вала двигателя (водила) на угол 360° представлены в таблице фиг. 3.
Аналогичные расчеты проведены для классического кривошипно-шатунного механизма с диаметром коленчатого вала равным ходу поршня конструкции с планетарным механизмом и одинаковой длиной шатуна. Результаты расчетов представлены в таблице фиг. 5.
Результаты сравнительных расчетов показывают, что предлагаемая конструкция планетарного кривошипно-шатунного механизма с эллиптическими зубчатыми колесами на 40% эффективней классического кривошипно-шатунного механизма – 1467,74 у.е., против 1048,18 у.е., соответственно.
На фиг. 4 и фиг. 5 представлены графики изменений положений отдельных деталей и параметров в зависимости от угла поворота водила для планетарного кривошипно-шатунного механизма с эллиптическими зубчатыми колесами и классического кривошипно-шатунного механизма, соответственно.
Расчеты проводились без учета дополнительных механических потерь, связанных с вводом некоторых элементов и подвижных соединений, поэтому действительный результат повышения эффективности может быть меньше.
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 (эллиптические зубчатые колеса, валы, оси, подшипники) может быть использована при создании двигателя внутреннего сгорания или компрессора с повышенными показателями эффективности.