МЕХАНИЗМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ПОРШНЯ ВО ВРАЩАТЕЛЬНОЕ ДВУМЯ ПОДВИЖНЫМИ ЗУБЧАТЫМИ РЕЙКАМИ НА ШАТУНЕ В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
MECHANISM FOR CONVERSION OF PISTON RECIPROCATION INTO ROTATION BY TWO ICE CON-ROD RACKS

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 подвижными зубчатыми рейками на шатуне.
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 колебания 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, 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 упрощения 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 передается двумя зубчатыми рейками на шатуне, поочередно входящими в зацепление с шестерней на валу двигателя. Зубчатые рейки расположены по разные стороны относительно шестерни, соединены между собой шпильками, и когда одна из реек находится в зацеплении с шестерней, то между вершинами зубьев на второй рейке и на шестерне имеется допустимый зазор для свободного встречного перемещения. В верхней части шатуна имеется отверстие под поршневой палец и второе отверстие под шпильку, соединяющую между собой две зубчатые рейки. Нижняя часть шатуна разветвляется на четыре направляющие планки, которые попарно скользят по направляющим втулкам на валу двигателя, совершая прямолинейное возвратно-поступательное движение шатуна. Хвостовая часть направляющих скреплена торцевой планкой с отверстием под вторую шпильку. Зубчатые рейки свободно перемещаются в поперечном направлении к валу двигателя в ориентированном положении относительно шестерни. Перемещение зубчатых реек в поперечном направлении возможно только в верхней и нижней мертвых точках поршня, поочередно меняя сцепление шестерни то с одной, то с другой зубчатой рейкой. Зубчатые рейки перемещаются от усилия пружины на рычаг и упор на зубчатой рейке. Ориентация зубчатых реек относительно шестерни в момент перемещения зубчатых реек и их сопровождение в фиксированном положении относительно шестерни, осуществляется копиром, установленном на валу двигателя. При ходе поршня вниз вал двигателя повернется от одной зубчатой рейки от 0° до 180°, а при ходе поршня вверх вал двигателя повернется от другой зубчатой рейки от 180° до 360°, совершив полный оборот. Ход поршня в нижней мертвой точке ограничивается торцевой поверхностью на вилкообразном пазе в боковой щечке шатуна и торцевой поверхностью на направляющей втулке. Ход поршня в верхней мертвой точке ограничивается торцевой планкой на шатуне и второй гранью торцевой поверхности на направляющей втулке. Размер паза в боковой щечке шатуна равен суммарному размеру длины направляющей втулки и ходу поршня.
На фиг.1 изображен общий вид механизма в продольном разрезе блока цилиндров двигателя и вырезом для лучшей наглядности конструкции, на фиг.2 - поперечный разрез механизма по оси вала двигателя, на фиг.3 - сечение механизма по линии взаимодействия зубчатых реек с шестерней на валу двигателя, на фиг.4 - сечение механизма в момент перемещения зубчатых реек, на фиг.5 - сечение механизма в момент ориентации зубчатых реек относительно шестерни и сопровождения по кулачку, на фиг.6 - поперечный разрез механизма для наглядности в увеличенном масштабе.
Механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращение вала двигателя размещается в картере блока цилиндров 1. В поперечных перегородках картера расположены разъемные гнезда 2 под подшипники 3, насаженные на вал двигателя 4. На валу двигателя под каждым цилиндром установлены шестерни 5 с количеством зубьев, кратным четырем (например, число зубьев 24, модуль 2), копир 6, две направляющие втулки 7 и 8 и две распорные втулки 9 и 10. Давление газа на поршень 11 передается на поршневой палец 12, на верхнюю головку шатуна 13, шпильку 14, на одну из двух зубчатых реек 15 или 16 и на вращение шестерни 5 на валу двигателя. Внутренними поверхностями направляющие планки 17 на шатуне 13 скользят по направляющим втулкам 7 и 8, а боковыми поверхностями - по бортику на распорных втулках 9 и 10. На направляющей втулке 7 с двух сторон имеются пазы, в которых шарнирно установлены рычаги 18 и 19, подпружиненные пружиной 20 на оси 21. В верхней и нижней мертвых точках поршня подпружиненные рычаги 18 или 19 поочередно прижимаются упором 22, и от усилия сжатой пружины одна зубчатая рейка выходит из зацепления с шестерней 5, а вторая входит в зацепление. На зубчатых рейках 15 и 16 имеется бортик 23, который служит направляющими перемещения зубчатых реек по копиру 6. В верхней и нижней мертвых точках поршня торцевыми поверхностями 24 на бортиках 23 осуществляется ориентация перемещения зубчатых реек 15 и 16 относительно шестерни 5 по диаметрально проходящей плоскости 25, разделяющей копир 6 на два полукольца с разными радиусами по наружной поверхности. Четыре конца на направляющих планках на шатуне соединены воедино торцевой планкой 26.
Рассмотрим последовательность работы механизма с момента опускания поршня из верхней мертвой точки, положение которого показано на фиг.1, 3, 4, 5. Давление газа на поршень 11 передается через поршневой палец 12 на верхнюю головку шатуна 13, шпильку 14, зубчатую рейку 15 и на вращение шестерни 5 с валом двигателя 4. Бортик 23 на зубчатой рейке 15 начинает перемещаться по поверхности с меньшим радиусом на копире 6, а делительная прямая на зубчатой рейке 15 перемещается по касательной к делительной окружности на шестерне 5, сохраняя сцепление зубчатой рейки с шестерней. Бортик 23 на зубчатой рейке 16, перемещаясь во встречном направлении, скользит по поверхности с большим радиусом на копире 6, при этом вершина зубьев на зубчатой рейке 16, с конструктивно допустимым минимальным зазором, перемещается относительно вершин зубьев на шестерне 5. При перемещении шатуна вниз рычаг 18 сходит с упора 22 на зубчатой рейке 16, освобождая пружину 20 на оси 21. При дальнейшем перемещении шатуна 13 на рычаг 19 наезжает упор 22 на зубчатой рейке 15, сжимая пружину 20 на оси 21. Сила упругости пружины будет стремиться перевести зубчатые рейки 15 и 16 на противоположную сторону до тех пор, пока торцевая поверхность 24 на бортике 23 зубчатой рейки 16 и диаметрально проходящая плоскость 25 на копире 6 не совместятся и зуб на шестерне 5 не совместится с впадиной на зубчатой рейке 16. Такое расположение деталей возможно только в нижней мертвой точке поршня, когда верхняя головка шатуна 13 упрется в торец на направляющих втулках 7 и 8. От силы упругости пружины зубчатая рейка 15 выйдет из зацепления с шестерней 5, а зубчатая рейка 16 войдет в зацепление с шестерней 5. При их перемещении бортики 23 торцевой поверхностью 24 на зубчатых рейках 15 и 16 перекрываются плоскостью 25 на копире 6, сохраняя ориентацию. От рабочего хода в других цилиндрах вращение вала и шестерни 5 будет продолжено в том же направлении, и усилием крутящего момента на шестерне 5 зубчатые рейки 15 и 16 с шатуном 13 и поршнем 11 начинают перемещаться вверх и рычаг 19 освобождается от усилия пружины 20. Бортик 23 на зубчатой рейке 16 начинает перекатываться по поверхности с меньшим радиусом на копире 6, сохраняя сцепление зубчатой рейки 16 с шестерней 5, а бортик 23 на зубчатой рейке 15 скользит, перемещаясь во встречном направлении по поверхности с большим радиусом на копире 6. При дальнейшем перемещении шатуна 13 вверх на рычаг 18 наезжает упор 22 на зубчатой рейке 16, сжимая пружину 20 на оси 21. Сила упругости пружины будет стремиться перевести зубчатые рейки на противоположную сторону до тех пор, пока торцевая поверхность 24 на бортике 23 зубчатой рейки 15 и диаметрально проходящая плоскость 25 на копире 6 не совместятся и зуб на шестерне 5 не совместится с впадиной на зубчатой рейке 15. Такое расположение деталей возможно только в верхней мертвой точке поршня, когда торцевая планка 26 упрется в торец направляющим втулкам 7 и 8. Одновременно от силы упругости пружины 20 зубчатые рейки переместятся на противоположную сторону, и зубчатая рейка 16 выйдет из зацепления, а зубчатая рейка 15 войдет в зацепление с шестерней 5 на валу двигателя. Вал совершит поворот на 360°.
С применением механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное двумя подвижными зубчатыми рейками во время такта расширения усилие давления газов передается вдоль оси цилиндра и направлено по касательной к шестерне вала двигателя, придавая ему вращательное движение, что приводит 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 механизме дорогостоящего коленчатого вала и сопряженных деталей упрощает конструкцию двигателя.