ДЕСМОДРОМНЫЙ ВАЛ И ВИЛКА В СБОРЕ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ ВО ВРАЩАТЕЛЬНОЕ
DESMODROMIC SHAFT AND YOKE ASSEMBLY TO CONVERT LINEAR MOTION INTO ROTARY MOTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к устройству узла для преобразования прямолинейного движения во вращательное движение и, в частности, к усовершенствованной взаимосвязи между элементом с прямолинейным возвратно-поступательным движением, таким как элемент вилкообразной (вильчатой) конструкции и сопряженный с ним поршень, и вращающимся валом, таким как коленчатый вал. Настоящее изобретение можно использовать в любых применениях, когда движение необходимо преобразовать из вращательного в прямолинейное или наоборот, как в компрессорах, например.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Двигатель внутреннего сгорания в настоящее время используется нами уже на протяжении многих десятилетий и стал одной из наиболее привычных конструкций, где возвратно-поступательно движущийся поршень использует шатуны (соединительные тяги) для соединения поршня с шатунными шейками коленчатого вала для преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала.
Чаще всего шатун является шарнирно соединяемым по обоим концам, которыми он крепится к поршню и шатунной шейке. Этот поршень соединен с шатуном посредством поршневого пальца, который проходит через поршень и шатун. В большинстве своем, эти виды конструкций для таких двигателей внутреннего сгорания известны, как двигатели с кривошипно-ползунным механизмом. Тем не менее, время показало, что эти типы двигателей внутреннего сгорания действительно обладают существенными недостатками и ограничениями.
Продвигается инициатива, в частности - сейчас, что ископаемое топливо становится дефицитными, и значительное внимание общества приковывается к защите окружающей среды от выхлопных газов, вырабатываемых обычными энергоустановками внутреннего сгорания, и к улучшению обычных двигателей с кривошипно-ползунным механизмом.
Треугольный шатун использовался в определенных конструкциях двигателей для использования циклической динамики в двигателях с кривошипно-шатунным механизмом. Чаще всего шатун в традиционных двигателях с треугольным шатунном соединяет два горизонтально и противоположно расположенных поршня с помощью не шарнирно-соединяемого шатунов с элементом с возвратно-поступательным движением, имеющим паз, в котором располагается шатунная шейка коленчатого вала. Направляющие средства ограничивают заставляют элемент с возвратно-поступательным движением двигаться по прямолинейной траектории, а шатунная шейка скользит в пазу, когда коленчатый вал вращается в его пределах, преобразуя прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.
Насколько известно лицу, квалифицированному в данной области, паз в элементе с возвратно-поступательным движением должен иметь по меньшей мере ту же ширину, что и шатунная шейка и по меньшей мере ту же длину, что и диаметр хода шатунной шейки. Кроме того, поскольку шток поршня является частью пластины поршня или подобной детали, которая ограничена прямолинейным возвратно-поступательным движением, любое движение коленчатого вала автоматически обнаружит поршень выдвинутым или отведенным от любого заданного мгновенного положения, включающего в себя положение зажигания.
В настоящее время тенденцией в конструкции двигателей является увеличение числа оборотов двигателя в минуту с помощью обычного штока поршня с шатуном треугольной конструкции. По большей части, использование традиционного треугольного шатуна не всегда возможно, так как ход поршня короткий, а время, имеющееся для втягивания воздуха в камеру сгорания, очень мало. Это приводит к сгоранию при меньшем, чем идеальное соотношении воздух/топливо 15 к 1 для топлива, что, в свою очередь, оставляет несгоревшее топливо, выбрасываемое, как загрязнитель, в атмосферу. С выбрасываемым несгоревшим топливом идут потери энергии, которую можно было бы преобразовать в энергию для перемещения поршня. Что, по сути, наблюдается как в имеющихся в настоящее время в двигателях с кривошипно-шатунным механизмом, так и в основанных на конструкциях с треугольным шатуном - это то, что существует неэффективное сочленения между штоком поршня и коленчатым валом. В двигателях с шатуном более высокий крутящий момент можно достичь при определенных углах поворота коленчатого вала путем увеличения длины хода, то есть высоты (длины) шатуна и, таким образом, высоты двигателя. Это, тем не менее, не практично для многих целей, и существуют различные вытекающие неудобства.
Специалист в данной области знает, что треугольный шатун передает свое усилие по осевой линии шатунной шейки (обычны коленчатый вал) на угле поворота коленчатого вала в 90° для его максимального крутящего момента. Таким образом, прямолинейное перемещение треугольного шатуна всегда постоянно, вне зависимости от того, был ли в нем учтен выстой, и максимальное его передаточное отношение - всегда при 90°. Коленчатый вал обычно оснащен элементом скольжения/качения, сопряженным с ним, который скользит/катится по вилке на полном угле поворота 360 градусов вращения коленчатого вала. Треугольные шатуны в этой связи имеют весьма ограниченное применение.
Настоящим изобретатель признает необходимость совершенствования средств преобразования прямолинейного движения во вращательное, и наоборот, а в области двигателей внутреннего сгорания - совершенствования сочленения между вильчатым элементом и коленчатым валом, и вильчатым элементом и поршнем, с обеспечением того, чтобы крутящий момент был максимален при гораздо большем усилии, чем, например, с треугольным шатуном.
Международная патентная заявка № PCT/AU2011/000398, принадлежащая настоящему заявителю и включенная ссылкой в настоящий документ, предлагает пример сцепления вильчатого типа с кулачком, которое устраняет некоторые из вышеупомянутых проблем, обеспечивая режим работы, который является изменяемым между режимом коленчатого вала и режимом кулачка за один оборот коленчатого вала для достижения увеличенной силы действия рычага (давления, передаваемого в точке наибольшей силы действия рычага) и времени выстоя поршня для улучшения сгорания. Это изобретение потребовало использования подшипника или колесного элемента, вращающегося вокруг конца коленчатого рычага (плеча кривошипа), сопряженного с коленчатым валом, и зацепляемого со внутренней поверхность прямолинейно подвижной вильчатой конструкции, с которой связан поршень. Внутренняя поверхность включает в себя участок заплечика, который служит для мгновенного прекращения преобразования прямолинейного движения поршня во вращательное движение коленвала, а подшипник, таким образом, вынужден выполнять функцию изменения с режима коленвала на режим кулачка.
Предыдущая международная заявка заявителя, таким образом, предлагает узел, который улучшает сгорание и вводит эффект силы действие рычага, для увеличения максимального крутящего момента при гораздо большей силе, чем с обычным треугольным шатуном. Вместе с тем, в то время как собственный существующий уровень техники заявителя выполняет свою цель и реализует уникальное преимущество над обычными узлами подобного типа, настоящее изобретение должно обеспечить далее улучшенный узел путем решения вопросов, таких, как, но ограниченных следующим:
- сила действия рычага, не в полной мере максимизировано;
- сгорание и энергетическая эффективность не оптимальны;
- конструкция и расположение составных элементов таково, что узел требует большого количества составных элементов и не дает возможность упростить производство;
- конструкция и расположение составных элементов таковы, что узел преобразования движения трудно регулируется в отношении силы действия рычага/выстоя для использования в различных целях; и
- вопросы вибрации/скрежета, вытекающие из использования множества составных элементов и ввиду значительного воздействия, оказываемого на единичный элемент качения.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является преодоление по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых проблем или предоставление обществу полезной альтернативы.
Следует иметь в виду, прежде всего, что любые ссылки на «кулачковое воздействие» в настоящем документе не следует толковать, как воспринимаемые тем же явлением, что и упоминавшийся ранее «кулачковый режим» подшипника в существующего уровня техники патентной заявке заявителя.
Дальнейшие задачи и преимущества настоящего изобретения станут очевидными при полном ознакомлении со следующим описанием.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к усовершенствованной взаимосвязи между вращающимся валом и элементом с прямолинейным возвратно-поступательным движением, такой, что прямолинейное движение вала дает максимальную энергию, передающуюся на вал для его вращения. В то время как изобретение, описанное в данном документе, относится к двигателям внутреннего сгорания, следует понимать, что изобретение может в равной степени применяться для любых целей, включающих в себя преобразование прямолинейного движения во вращательное или наоборот.
Должно стать очевидным из ознакомления с данным описанием, что узел преобразования движения обеспечивает больший выигрыш в силе в рычаге, чем либо треугольный шатун, либо двигатели тех видов, где используется шатун, в том, что взаимодействие между коленчатым валом и поршнем является, частично, схожим со сцеплением с кулачком. Настоящее изобретение обеспечивает механизм прямолинейного перемещения, который является жестким (с жесткими звеньями), означая, что движение поршня прямолинейно и совершается вместе с движением вильчатой конструкции, и который способен преобразовывать энергию в точке набольшей силы действия рычага, нежели обычные двигатели при той же длине хода. В результате, появляется эффект действия силы рычага, и давление, передаваемое на коленчатый вал, максимизируется.
Соответственно, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, хотя он не обязан быть единственным или самым репрезентативным вариантом осуществления настоящего изобретения, предусмотрен узел для преобразования прямолинейного движения прямолинейно перемещающегося элемента, который перемещается между положением верхней мертвой точки и нижней мертвой точки вдоль первой оси, во вращательное движение вращающегося (поворотного) вала, который вращается вокруг второй оси и проходит по существу перпендикулярно упомянутой первой оси, при этом упомянутый узел отличается:
вильчатой конструкцией, сопряженной с упомянутым прямолинейно перемещающимся элементом, причем упомянутая вильчатая конструкция, включает в себя внутреннюю поверхность с по меньшей мере одной внутренней дугообразной поверхностью, имеющей радиус, определенный упомянутой второй осью;
рычажным средством, сопряженным и вращающимся вместе с вращающимся валом вокруг упомянутой второй оси, причем внешняя периферийная кромка упомянутого рычажного средства включает в себя по меньшей мере одну дугообразную контактную поверхность, имеющую радиус, определяемый третьей осью, проходящей параллельно упомянутой второй оси, но находящейся на расстоянии от нее, при этом, упомянутая внешняя периферийная кромка выполнена для сцепления с внутренней поверхностью вильчатой конструкции, и упомянутое сцепление является сцеплением с коленчатым рычагом (кривошипом) по меньшей мере в первом диапазоне углов поворота вала, при которых перемещение выдвижения или возврата прямолинейно перемещающегося элемента преобразуется во вращательное движение вала, и сцеплением с кулачком по меньшей мере во втором диапазоне углов поворота вала, во время которого положения выстоев прямолинейно перемещающегося элемента соответствует положениям, когда элемент выдвинут или возвращен назад, и где
упомянутая дугообразная поверхность выполнена с такими размерами, чтобы упомянутое сцепление являлось сцеплением с кулачком от начала каждого поворота вала и до 90 градусов поворота вала, чтобы заставить упомянутый прямолинейно перемещающийся элемент выстаивать в верхней мертвой точке, и являлось сцеплением с коленчатым рычагом между 90 и 180 градусами углов поворота вала так, чтобы в пределах по меньшей мере диапазона углов между 90 и 180 градусами упомянутая дугообразная внутренняя поверхности вильчатой конструкции контактировала с упомянутой дугообразной контактной поверхностью вдоль четвертой оси, проходящей параллельно упомянутой первой оси, но находящейся на расстоянии от упомянутой второй оси, причем упомянутое расстояние больше, чем расстояние между второй и третьей осью.
Такое качательное движение или «кулачковое воздействие», имеющее место между 90 и 180 градусами поворота вала, в противоположность скольжению или качению, между двумя составными элементами на определенном диапазоне углов, отличает узел преобразования движения от обычных узлов с треугольными шатунами, и что дает улучшенное взаимодействия между этими компонентами и гораздо больший диапазон крутящих моментов.
Таким образом, узел преобразования движения по настоящему изобретению включает в себя вращающийся вал, который сцепляется с внутренней поверхностью вильчатой конструкции, причем вращающийся вал, содержит рычажное средство, как оно было упомянуто выше, содержащее внешнюю периферийную кромку, выполненную для контактирования с внутренней поверхности вильчатой конструкции вдоль дугообразной поверхности, сопрягаемой с рычажным средством в любой из моментов времени в ходе поворота вала. Составные элементы выполнены с такими размерами, что в по меньшей мере одном из диапазонов углов поворота имеет место взаимодействие «качательного движения» между дугообразной поверхностью рычажного средства и внутренней поверхностью вильчатого элемента (аналогично движению качающейся лошадки, качающейся на полу), которое в значительной степени вызывает передачу постоянного контактного усилия от вильчатой конструкции валу. Это воздействие именуется в настоящем документе «кулачковым воздействием».
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения рычажное средство включает в себя следящий элемент кулачка, как он упоминается в настоящем документе, и сопряженный с ним большой элемент качения, включающий в себя дугообразную поверхность, выполненную для контакта с внутренней дугообразной поверхностью вильчатой конструкции, где такое взаимодействие приводит к упомянутому «кулачковому воздействию» по меньшей мере в диапазоне углов поворота вала.
Еще в одном варианте осуществления настоящего изобретения рычажное средство включает в себя «следящий элемент кулачка», имеющий внешнюю периферическую кромку, выполненную, чтобы по существу постоянно контактировать с внутренней поверхностью вильчатой конструкции вдоль дугообразной поверхности следящего элемента кулачка при повороте вала, где такое взаимодействие создает упомянутое «кулачковое воздействие» по меньшей мере в диапазоне углов поворота вала.
Предпочтительно, чтобы следящий элемент кулачка и внутренняя поверхность вильчатой конструкции были выполнены с размерами, чтобы упомянутое «кулачковое воздействие» было по меньшей мере между 90 и 180 градусами поворота вала.
Предпочтительны следящий элемент кулачка и внутренняя поверхность вильчатой конструкции выполненными с размерами, чтобы вал поворачивался между 0 и 90 градусами без того, чтобы какое-либо вращательное движение передавалось на прямолинейное перемещение вильчатой конструкции. Таким образом, при применении изобретения в двигателе внутреннего сгорания, настоящее изобретение повышает эффективность сгорания, также вводя время выстоя в верхней мертвой точке.
Предпочтителен кулачковый следящий элемент и внутренняя поверхность вильчатой конструкции имеющие такие размеры, чтобы вал вращался между 180 и 270 градусами без того, чтобы какое-либо вращательное движение передавалось на прямолинейное перемещение вильчатой конструкции. Таким образом, при применении в двигателе внутреннего сгорания, настоящее изобретение повышает эффективность сгорания, также вводя время выстоя в нижней мертвой точке.
Предпочтительно, чтобы по меньшей мере одна упомянутая дугообразная контактная поверхность являлась полукруглой кромкой упомянутого следящего элемента кулачка. Предпочтителен упомянутый следящий элемент кулачка, включающий в себя по меньшей мере вторую дугообразную контактную поверхность, и упомянутая внутренняя поверхность вильчатой конструкции, включает в себя по меньшей мере одну линейную поверхность, где упомянутая вторая дугообразная контактная поверхность выполнена для контакта с упомянутой линейной поверхностью, чтобы тем самым обеспечить вторую контактную точку. Предпочтительно, чтобы упомянутая по меньшей мере вторая дугообразная контактная поверхность являлась кромкой в виде четверти окружности, чья центральная ось расположена вдоль базовой линии упомянутой полукруглой кромки. Предпочтительна упомянутая по меньшей мере вторая контактная поверхность, включающая в себя еще одну кромку в виде четверти окружности, чья центральная ось расположена вдоль упомянутой базовой линии упомянутой полукруглой кромки и совпадает с упомянутой второй осью вращающегося вала. Предпочтительно, чтобы упомянутые окружности на четверть окружности соединялись с помощью прямолинейной кромки.
Узел преобразования движения регулируется по по силе действия рычага регулировкой на равный процент радиуса каждой из четвертей окружности и полуокружности, сопряженных со следящим элементом кулачка. Кроме того, ход прямолинейно перемещающегося элемента также регулируется путем регулировки расстояния между центральной точкой вала и центральной точкой дальней четверти окружности.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения вал является десмодромным валом, где упомянутая по меньшей мере вторая дугообразная контактная поверхность является кромкой в виде четверти окружности, которая срезана, чтобы открыть элемент качения, размещенный по существу внутри следящего элемента кулачка так, что только точка контакта элемента качения выступает наружу из рабочей зоны следящего элемента кулачка. Элемент качения контактирует с упомянутой внутренней поверхностью вильчатой конструкции в ходе упомянутого «кулачкового воздействия», и элемент качения имеет радиус, равный упомянутой дугообразной поверхности, где упомянутая дугообразная поверхность включает в себя срезанную закраину для того, чтобы дать возможность упомянутому элементу качения контактировать с упомянутой вильчатой конструкцией, где упомянутая закраина в противном случае контактировала бы с внутренней поверхностью. Использования антифрикционного элемента или элемента качения особенно важно между 90 и 180 градусами поворота вала, чтобы уменьшить вибрацию, которая в противном случае возникает между контактирующими поверхностями.
«Кулачковое воздействие» постоянного контакта таким образом передает усилие поршня от вильчатой конструкции на коленчатый вал без «скольжения», как в обычных треугольных шатунах, но посредством качательного движения в диапазоне углов поворота между 90 и 180 градусами. Это дает гораздо больший диапазон крутящего момента, чем обычные двигатели/двигатели с треугольным шатуном. При использовании следящего элемента кулачка и вильчатой конструкции в варианте осуществления настоящего изобретения как сила действия рычага, так и выстой в аспектах настоящего изобретения можно варьировать в зависимости от требований производителя, как будет очевидно далее.
Настоящее изобретение является усовершенствованием узла преобразования движения по международной заявке, упомянутой в преамбуле, в том, что средства взаимодействия, упомянутые в настоящем документе, как рычажное средство, включает в себя или состоит из следящего элемента кулачка, который взаимодействует по своему периметру с внутренней поверхностью вильчатой конструкции. Становится очевидным, что узел преобразования движения, включающий в себя такое рычажное средство, решает, по меньшей мере, некоторые из проблем, описанных в преамбуле к изобретению.
Предпочтительно узел преобразования движения является двигателем внутреннего сгорания, где упомянутым прямолинейно движущимся элементом является узел с вильчатой конструкцией, имеющий, по меньшей мере, один поршень, сопряженный с ней, а упомянутым вращающимся валом является коленчатый вал. Преимущественно, упомянутым валом является десмодромный коленчатый вал.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сопроводительные чертежи, которые включены в данное описание и являются его частью, иллюстрируют отдельные варианты осуществления настоящего изобретения и, наряду с описанием, служат для пояснения преимуществ и принципов настоящего изобретения. На чертежах:
фиг.1 иллюстрирует вид сбоку узла коленчатого вала, включающего в себя рычажное средство, встроенное в коленчатый вал в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг.2 иллюстрирует вид в перспективе линейного узла с вильчатой конструкцией, включающего в себя узел коленчатого вала, содержащий рычажное средство на фиг.1 с двумя отдельными поршневыми вильчатыми конструкциями;
фиг.3 иллюстрирует изображение на фиг.2 в частично разобранном виде;
фиг.4 иллюстрирует схематическое представление соответствующего преобразования движения между узлом коленчатого вала и вильчатой конструкцией, показанными на фиг.2-3, где полный поворот коленчатого вала между 0° и 360° рассматривается относительно передаваемого перемещения вильчатой конструкции для этого соответствующего вращения;
фиг.5 иллюстрирует вид сбоку узла коленчатого вала, включающего в себя рычажное средство, встроенное в коленчатый вал в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг.6 иллюстрирует внутренние размеры вильчатой конструкции, сцепляемой с рычажным средством с фиг.5;
фиг.7 иллюстрирует схематическое представление соответствующего преобразования движения между узлом коленчатого вала и рычажным средством с фиг.5 и вильчатой конструкцией с фиг.6, где полный поворот коленчатого вала между 0° и 360° рассматривается относительно передаваемого перемещения вильчатой конструкции для этого соответствующего вращения;
фиг.8 иллюстрирует вид в перспективе узла коленчатого вала, включающего в себя рычажное средство, использующее внутренний элемент качения в соответствии с третьим и предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг.9 иллюстрирует вид в перспективе линейного узла с вильчатой конструкцией, включающего в себя узел коленчатого вала с двумя рычажными средствами с фиг.8 и соответствующими отдельными поршневыми вильчатой конструкции;
фиг.10 иллюстрирует увеличенный вид в перспективе узла коленчатого вала и рычажное средство, показанное на фиг.8-9.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Последующее подробное описание изобретения приводится со ссылкой на сопроводительные чертежи. Хотя описание включает в себя примеры вариантов осуществления изобретения, возможны и другие варианты осуществления изобретения, и изменения могут вноситься в описанные варианты осуществления изобретения без отступления от духа и объема настоящего изобретения. Где возможно, одни и те же ссылочные позиции будут использоваться во всех вариантах осуществления изобретения и последующем описании для определения одних и тех же и аналогичных деталей.
Настоящее изобретение относится к узлу 10, который может быть частью двигателя внутреннего сгорания (не показан), включающему в себя коленчатый вал 12, рычажное средство 14, сопряженный с или встроенный в коленчатый вал, и по меньшей мере один узел 16 линейного вильчатой конструкции, включающий в себя вильчатую конструкцию 18, с которой рычажное средство взаимодействует для преобразования прямолинейного движения поршня 20, например, сопряженного с вильчатой конструкцией во вращательное движение коленчатого вала или, в общем плане, вала 12.
Как понятно из фиг.2, например, настоящее изобретение можно использовать как узел поступательного движения в двигателе внутреннего сгорания. Рычажное средство 14 и узел 16 вильчатой конструкции действуют для эффективной передачи прямолинейного движения движущегося поршня на коленчатый вал 12, если применяются в условиях двигателя внутреннего сгорания. Хотя они и не показаны, направляющие элементы можно устанавливать для поддержки прямолинейного скользящего движения поршневой вилки. В предпочтительном варианте осуществления изобретения поршни компонуются так, чтобы они работали без трения, чтобы они не соприкасались со стенками цилиндра.
Узел преобразования движения, показанный на фиг.2 и 3, иллюстрирует, как два или более узла вильчатых конструкций конфигурируются для расположения бок о бок вдоль коленчатого вала и функционально связываются так, чтобы когда один поршень находится в ВМТ, примыкающий поршень находился бы в НМТ, и наоборот. Коленчатый вал 12, проходящий через вильчатые конструкции, может быть разделен на модульные секции, которые являются отдельными секциями, и из множества которых может быть создано дополнительные узлы линейной вильчатой конструкции и, тем самым, рабочий объем цилиндра двигателя, по необходимости.
В каждом варианте осуществления изобретения, описанном в настоящем документе, рычажное средство 14 вращается с коленчатым валом 12 и выполняется так, чтобы, по меньшей мере, одна его дугообразная поверхность контактировала с внутренней поверхностью, сопрягаемой с линейной вильчатой конструкцией 18 во время вращения. Это обеспечивает полный контакт между коленчатым валом и вильчатой конструкцией по существу постоянно на протяжении цикла сгорания, и создает ранее описанное «кулачковое воздействие».
Очевидно, что использование следящего элемента 22 кулачка обеспечивает упрощенное средство изменения узла преобразования движения в соответствия различным требованиями/целями. Используя следящий элемент 22 и соответствующим образом измененную вильчатую конструкцию 18, с которой он контактирует, узел 10 может быть выполнен с одинарным или двойным выстоем, чтобы КПД полноты сгорания также можно было оптимизировать. Следящий элемент также прост в изготовлении и не сложен в том, что он не задействует большого количества отдельных движущихся частей или тяжелонагруженных опорных подшипников.
Ссылочные позиции, используемые для указания узла 10 преобразования движения, рычажного средства 14, узла 16 вильчатой конструкции и вильчатой конструкции 18 различаются во всех трех вариантах осуществления изобретения, описанных в настоящем документе, с помощью ссылочных букв a, b и с. Например, узел преобразования движения по первому варианту осуществления изобретения обозначается 10а, а рычажное средство по второму варианту осуществления изобретения обозначается 14b и т.д. Следует отметить, что для простоты некоторые компоненты, такие как действительные камеры цилиндров, в которых соответствующие поршни будут выдвигаться и возвращаться назад, не показаны так, чтобы важные и неочевидные аспекты настоящего изобретения можно было рассматривать более предметно.
Фиг.1-4 иллюстрируют первый вариант осуществления настоящего изобретения, являющийся узлом 10а преобразования движения, выполненным с одним выстоем с 0 до 90 градусов угла поворота коленчатого вала 12, где узел преобразования движения включает в себя рычажное средство 14а, имеющий два следящих элемента 22 кулачка, установленных на коленчатый вал 12, и взаимодействующий с вильчатой конструкцией 18а так, что усилие передается от вилки для поворота коленчатого вала.
В частности, рычажное средство 14а включает в себя два параллельных и разнесенных в боковом направлении следящих элемента 22 кулачка, включающих в себя дугообразные поверхности, способные контактировать с соответствующими внутренними поверхностями 24 вильчатой конструкции 18а, где поверхности 24 являются внутренними поверхностями вильчатой конструкции, находящейся в «основании» вильчатой конструкции 16а, то есть на противоположном конце поршня 20. Рычажное средство 14а также включает в себя элемент качения большего диаметра или подшипник 26, располагающийся между двумя следящими элементами кулачка и способный контактировать с дугообразной внутренней поверхностью 28 вильчатой конструкции. Располагающийся внутри элемента качения большего диаметра 26 подшипник 30 меньшего диаметра, через который проходит коленчатый вал 12 и соединительная шейка 32, соединяющие два следящих элемента 22 кулачка. Специалист в данной области поймет, что когда коленчатый вал 12 вращается, подшипник 30 меньшего диаметра вращается, вместе с коленчатым валом, внутри элемента качения большего диаметра 26, как и два следящих элемента 22 кулачка и шейка 32, соединяющая два элемента.
Фиг.1 иллюстрирует еще один подшипник с более меньшим диаметром, шарнирно сочлененный с соединительной шейкой 32, который не показан на фиг.2-4. В целях различения трех вариантов осуществления изобретения друг от друга, этот дополнительный подшипник, показанный на фиг.1 в качестве дополнительного компонента, не описывается до текста выше в данном описании, с отдельной ссылкой на предпочтительный вариант осуществления десмодромного вала, описанный на фиг.8-10.
Дугообразная внутренняя поверхность 28 вильчатой конструкции снабжается существенно J-образной вставкой 34, чья изогнутая кромка формирует прилегающую кромку к соответствующей внутренней поверхности 24. Вставка 34 предпочтительно изготавливается из пружинной стали для снятия нагрузки с большего подшипника 26. Внутренние поверхности 24 обеспечиваются прямолинейными пластинами (связями) 36, которые формируют «основание» вильчатой конструкции.
Рычажное средство 14а, которое включать в себя следящий элемент 22 кулачка и элемент качения 26, и внутренние поверхности вильчатой конструкции 18а выполняются для обеспечения, по меньшей мере, одно время выстоя поршня для каждого поворота коленчатого вала, и что оказывается кулачковое воздействие в течение по меньшей мере периода вращения. Это достигается в варианте осуществления изобретения, показанном посредством использования следящего элемента 22 кулачка, имеющего жесткую конструкцию, на осевой линии которого имеются три центральные точки 38, 40 и 42, располагающимися вдоль нее, каждая из которых определяет центр радиуса трех дугообразных наружных поверхностей следящего элемента 22. Он, возможно, лучше виден на фиг.5, которая относится ко второму варианту осуществления изобретения, но который непосредственно сопоставим с следящим элементом кулачка данного первого варианта осуществления изобретения.
Первая центральная точка 38 - это центр радиуса первой дугообразной поверхности 44, которая формирует четверть окружности в базисном углу следящего элемента 22. Вторая центральная точка 40 - это центр радиуса второй дугообразной поверхности 46, которая формирует вторую четверть окружности в противоположном базисном углу следящего элемента. Третья центральная точка 42 - это центр радиуса третьей дугообразной поверхности 48, которая формирует полуокружность и дополняет верхнюю часть следящего элемента 22 над осевой линией. Первая и вторая поверхности 44 и 46 являются четвертями окружности равного радиуса, предпочтительно - половине радиуса полукруглой поверхности 48, и предпочтительно соединены четвертой линейной наружной поверхностью 50.
Из рассмотрения фиг.4 можно понять, что постоянно на протяжении поворота коленчатого вала точка на одной из трех дугообразных поверхностей каждого из следящих элементов 22 кулачка, а также поверхность элемента качения большего диаметра 26, находится в контакте с одной из внутренних поверхностей вильчатой конструкции 18. В частности, элемент качения 26 контактирует с поверхность 28 J-образной вставки 34, а одна из трех дугообразных поверхностей каждого из следящих элементов 22 кулачка контактирует с поверхностью 24 прямолинейных пластин 36 шатунов вильчатой конструкции. Таким образом, существуют две контактные точки 38 на каждой «дуге» рычажного средства. Контактные точки вильчатой конструкции, показанные на фиг.1, соответствуют повороту коленчатого вала на 90°. При осуществлении двойного контакта узел намного более надежен и сбалансирован, нежели известные до настоящего момента узлы преобразования движения такого рода, и присутствует намного меньше вероятности вибрации.
В данном первом варианте осуществления изобретения внутренние поверхности вильчатой конструкции выполняются для выстоя между 0 и 90 градусами поворота коленчатого вала. В течение по меньшей мере периода данного времени выстоя, наружный подшипник 26 накатывает на J-образную вставку до установления «кулачкового воздействия» между наружным подшипником 26 и контактной поверхностью 28 J-образной вставки. Кулачковое воздействие приводит к тому, что постоянное контактное усилие прилагается от вильчатой конструкции на коленчатый вал на по меньшей мере углах поворота вала от 90 до 180 градусов. Одним из преимуществ настоящего изобретения при его использовании в условиях двигателя внутреннего сгорания является то, что уменьшение давления газов в камере сгорания, которое возникает, когда поршень перемещается, уравновешивается увеличением силы действия рычажного средства.
Расстояние между первой и второй центральной точкой 38 и 40 каждого из следящих элементов 22 кулачка определяет длину хода поршня. Специалист в данной области, таким образом, поймет простоту, с которой узел 10а преобразования движения по настоящему изобретению можно изменить с учетом различных целей, требующих различных диапазонов крутящих моментов. Необходимо лишь увеличить радиус каждой поверхности в виде четверти окружности 44 и 46, а затем - радиус полукруглой поверхности 48, чтобы компенсировать увеличение длины элемента, с тем, чтобы увеличить максимальный крутящий момент. Поскольку расстояние между центральными точками 38 и 40 остается тем же, длина хода остается той же, что означает, что узел можно изменять под различные диапазоны крутящих моментов без необходимости изменения хода, и, следовательно, высоты двигателя или узла преобразования движения. Аналогично, если необходимо отрегулировать ход, расстояние между центральными точками 38 и 40 можно легко отрегулировать. Специалист в данной области поймет, что любая регулировка следящего элемента кулачка потребует сопоставимого изменения размеров внутренней поверхности вильчатой конструкции.
В целом, узел 10а преобразования движения предусматривает один выстой поршня в диапазоне от 0 до 90 градусов поворота коленчатого вала, а затем передачу постоянного контактного усилия от линейной вильчатой конструкции на рычажное средство без скольжения, как в обычной конструкции с треугольным шатуном, но, скорее, качательным движением, которое, как упомянуто в преамбуле, можно рассматривать, как аналог движения «качания» качающейся лошадки, например. Именно это «кулачковое воздействие» дает гораздо больший диапазон крутящего момента, чем любые обычные или конструкции двигателей с треугольным шатуном. Остаток хода поршня после 90 градусов включает в себя движение из верхней мертвой точки до нижней мертвой точки с 90 до 180 градусов, и из нижней мертвой точки обратно в верхнюю мертвую точку со 180 до 360 градусов.
Использование рычажного средства, в частности, наружного подшипника 26 и его взаимодействия с вильчатой конструкцией, дает преимущества по сравнению с существующим уровнем техники, включающие в себя уменьшение общего количества деталей, упрощение производства и сборки в том, что рычажное средство является одним жестким элементом, и полную настраиваемость в том, что незначительные изменения конструкции рычажного средства приведут к изменениям в силе действия рычага при выстоях для соответствия требованиям любой цели применения.
Фиг.5-6 иллюстрируют коленчатый вал 12 с рычажным средством 14b, включающий в себя следящий элемент 22 кулачка, и вильчатую конструкцию 18b, скомпонованную в соответствии со вторым вариант осуществления настоящего изобретения. Составные части выполнены с такими размерами, что внешняя периферийная кромка следящего элемента 22, описанная ранее, контактирует с внутренней периферийной кромкой 54 вильчатой конструкции 18b, как показано на фиг.7, постоянно на протяжении цикла сгорания. Очевидно, что контактные точки 55 находятся в одинаковых положениях, как и контактные точки 38 в первом варианте осуществления настоящего изобретения при 90 градусах угла поворота коленчатого вала.
Узел 10b данного второго варианта осуществления настоящего изобретения предусматривает меньше составных частей, нежели в первом варианте осуществления изобретения, так как внутренняя поверхность вильчатой конструкции 18b заменяет требовавшийся внешний элемент качения, только с одним следящим элементом 22 кулачка, необходимым для сцепления с внутренней поверхностью. Кроме того, эта компоновка предполагает двойной выстой поршня при каждом обороте коленчатого вала, как будет более подробно описано далее.
Внутренняя периферийная кромка 54 вилочного элемента конструкции выполнена с такими размерами, что сохраняется контакт между одной из поверхностей 44 и 46 следящего элемента 22 кулачка с внутренней кромкой 54 вильчатой конструкции, и, кроме того, - поверхности 48 с кромкой 54. В показанном варианте осуществления изобретения, внутренняя кромка 54 вильчатой конструкции включает в себя две параллельные поверхности 56 и 58, расположенных на расстоянии, которое соответствует длине следящего элемента 22 кулачка, как показано в положении ВМТ на фиг.7, и две закругленных кромки 60 и 62 равных радиусов, измеренных от центра коленчатого вала, когда он установлен на 90° и 270°, соответственно. Показанная дополнительная закругленная кромка 64 не существенна, но аналогично выполнена с размерами, чтобы упростить изготовление вильчатых конструкций. Следящий элемент 22 кулачка работает таким же образом, как описано ранее, с «кулачковым воздействием», устанавливающимся при 90 градусах поворота вала, когда дугообразная поверхность 48 контактирует с дугообразной поверхностью 62 вильчатой конструкции.
Некоторые конкретные радиусы указаны на фиг.5 и 6, однако следует понимать, что настоящее изобретение не предполагается ограниченным каким-либо конкретным радиусом следящего элемента кулачка или внутренней кромки вильчатой конструкции. Как описывалось ранее, эти размеры задумывались, как полностью регулируемые в зависимости от силы действия рычага и выстоя, которые требуются для соответствия конкретной цели.
Поэтому пока поршень 20 вновь выстаивает с 0 до 90 градусов поворота коленчатого вала, остаток хода отличается от остатка в первом варианте осуществления настоящего изобретения в том, что его ход после 90 градусов включает в себя движение из верхней мертвой точки в нижнюю мертвую точку с 90 до 180 градусов, второе время выстоя от 180 до 270 градусов поворота коленчатого вала, и из нижней мертвой точки обратно в верхнюю мертвую точку с 270 до 360 градусов.
Переходя далее к фиг.8 и предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, на ней показано рычажное средство 14с, формирующий часть узла 10с передаточного механизма, показанного на фиг.9, где рычажное средство 14с включает в себя аналогичное выполнение следящего элемента кулачка и вильчатой конструкции, как описано во втором варианте осуществления настоящего изобретения, но включающее в себя полость 70, в который монтируется внутренний ролик 72 с возможностью поворота. Ролик вращается вокруг шейки 73. Вал, включающий в себя следящий элемент кулачка, выполненный таким образом, и включающий в себя внутренний ролик 72, здесь и далее называется десмодромным коленчатым валом.
Фиг.9-10 иллюстрируют рычажное средство 14с, используемое с линейной вильчатой конструкцией 16с, и следует отметить, что вильчатая конструкция является по существу такой же, что и описываемая для второго варианта осуществления настоящего изобретения, но имеющая внутреннюю поверхность, выполненную несколько по-другому. Следует понимать, что внутренняя поверхность по-прежнему включает в себя основные закругленные кромки 60 и 62 из второго варианта осуществления изобретения, а также параллельные поверхности 56 и 58, но их дополнительные кромки 64 имеют другие радиусы. Данный третий вариант осуществления настоящего изобретения, таким образом, представляет пример того, как внутренний размер вильчатой конструкции можно изменить (к примеру, для упрощения производства) без необходимости изменения работы изобретения.
Еще одно заметное различие в данном третьем варианте осуществления настоящего изобретения - это срезанный участок 74 на закраине следящего элемента кулачка в месте соединения между поверхностями 46 и 48. Плоский участок 74 позволяет контактировать ролику 70 и внутренней периферийной кромке 54 вилки постоянно, когда закраина элемента 14с, то есть соединение между поверхностями 46 и 48, в противном случае контактировала бы с внутренней поверхностью вильчатой конструкции, например, с 90 до 180 градусов. Ролик 70, таким образом, служит для снижения трения и вибрации между этими поверхностями в соответствующие времена поворота коленчатого вала на 360 градусов.
В ходе рассмотрения чертежей и описания выше, специалист в данной области должен оценить, как узел 10 преобразователя движения по настоящему изобретению работает и предоставляет различные преимущества по сравнению с ранее известными узлами, которые преобразовывали линейное движение во вращательное, и наоборот. При использовании в двигателе внутреннего сгорания, где прямолинейно движущимся элементом является поршень с вильчатой конструкцией, а вращающимся валом - коленчатый вал, специалист в данной области поймет, что, используя узел по настоящему изобретению, в каждом цилиндре двигателя поршень будет в крайнем верхнем положении в точке зажигания в течение периода времени, а не только в момент времени, так что поршень может оставаться в этом крайнем верхнем положении для обеспечения того, что все углеводородное топливо в воздухо-/топливозаборе сжигается и не остается какого-либо несгоревшего выбрасываемого топлива. Еще в одном варианте осуществления настоящего изобретения узел преобразования также можно выполнить с двойным выстоем, где существует второе время выстоя в крайнем нижнем положении поршня.
Следовательно, как лучше всего видно из фиг.7, когда коленчатый вал продолжает свое вращение на угле между 0°-90°, сам поршень не сдвинулся со своего крайнего верхнего положения, что означает, что пока поршень может остановиться в крайнем верхнем положении на момент времени, несмотря на тот факт, что коленчатый вал продолжил вращение, предполагает, что это дополнительное время дает полное сгорание углеводородного топлива. Аналогично, в последнем варианте осуществления настоящего изобретения, пока коленчатый вал продолжает свое вращение между 180°-270°, поршень не смещается из своего крайнего нижнего положения, что означает, что может происходить более эффективный отвод газов из цилиндра. Это достигается путем сопряженных профилей между узлом следящего элемента кулачка и вильчатой конструкцией.
Эта возможность создания времени выстоя для поршня является одним из преимуществ настоящего изобретения. Выполнение следящего элемента 22 кулачка и его взаимодействие с вильчатой конструкцией 18 приводит к тому, что сила действия рычага максимизируется, а выстой и сила действия рычага полностью регулируются простой регулировкой размеров этих составных частей, а в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения - путем использования элемента качения, который уменьшает трение и вибрацию.
Дальнейшие преимущества и улучшения можно легко получить в настоящем изобретении без отхода от его объема. Несмотря на то, что изобретение было показано и описано в предполагавшихся наиболее практичными и предпочтительными вариантах осуществления настоящего изобретения, признается, что от них могут быть отклонения в рамках объема и сущности настоящего изобретения, которое не следует ограничивать подробностями, раскрытыми в настоящем документе, но необходимо рассматривать в полном объеме формулы изобретения, с тем, чтобы охватить любые и все аналогичные устройства и механизмы.
В формуле изобретения, за исключением тех случаев, когда обратного требует контекст ввиду определенной формулировки или необходимой предпосылки, слово «содержащий» используется в смысле «включающий в себя», т.е. упомянутые характеристики могут быть связан с дальнейшими характеристиками в различных вариантах осуществления настоящего изобретения.