ШЕСТЕРЕННЫЙ БЕСШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ С МНОГОКОЛЕНЧАТЫМ ВАЛОМ
GEAR-TYPE MECHANISM WITH NO PISTON-ROD AND WITH MULTITHROW CRANKSHAFTS

Изобретение относится к области преобразователей возвратно-поступательного движения во вращательное и может быть применено в машиностроении для изготовления многоцилиндровых поршневых двигателей и компрессоров.
Шестеренные гипоциклоидные бесшатунные преобразователи возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот, содержащие планетарную и солнечную (с удвоенным диаметром планетарной) шестерни - известны более ста лет. Среди последних (принятый за прототип) - «БЕСШАТУННЫЙ ПЛАНЕТАРНО-КРИВОШИПНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВРАЩЕНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ» RU 2441995 от 10.02.2012 г., авт. Поспелов В.Д., содержащий поршневые штоки, соединенные головками с кривошипными осями средних кривошипных валов, средний кривошипный вал, образованный двумя сателлитами, установленными на цапфах водил и скрепленными наглухо с щечками, второй кривошипный вал образованный двумя водилами с цапфами, служащими кривошипными осями среднего кривошипного вала, при этом неподвижная коронная (солнечная) шестерня с внутренним венцом гипоциклического механизма жестко крепится в корпусе и кинематически связана с сателлитами.
При достоинствах, заключенных в устранении давления поршней на боковые стенки цилиндров (что заметно, снижая износ и тех и других, повышает моторесурс) и повышении общего механического КПД устройства - эти преобразователи (включая прототип) имеют недостатки. К недостаткам, с одной стороны, следует отнести «выкрашивание зубьев» шестерен, как следствие от изменения направления момента воздействия на поршень рабочих газов (двигателя), что можно ослабить повышением количества цилиндров в единой цепи (на одном вале). С другой стороны, для повышения общей мощности (двигателя) также необходимо наращивание цилиндров по количеству. Но пространственное пересечение планетарной шестерней оси солнечной шестерни - позволяет использовать планетарные шестерни лишь на концах валов и конструировать поршневые машины с количеством в единой цепи не более 2 оппозитных цилиндров, что явно недостаточно для нейтрализации «выкрашивания зубьев». И для повышения суммарной цилиндровой мощности приходится суммировать мощности отдельных цепей (отдельных валов) с помощью дополнительного суммирующего вала, делая устройство громоздким. К недостаткам прототипа как раз и следует отнести необходимость наличия вала отбора и суммирования мощности с синхронизирующими шестернями, что заметно ослабляет и без того нежесткую конструкцию механизма, ухудшает массогабаритные характеристики.
Из уровня техники известен также «БЕСШАТУННЫЙ МОДУЛЬНЫЙ ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С СИЛОВЫМ МЕХАНИЗМОМ ЭКСЦЕНТРИКОВОГО ТИПА» RU 2212552 от 20.09.2003, содержащий вращающийся в корпусе коленчатый вал, на шатунной шейке которого размещена пара эксцентриков с разнонаправленным эксцентриситетом, и посаженые головками на шейки эксцентриков шток-поршни. К недостаткам этого бесшатунного механизма преобразования, помимо вышеизложенных, можно отнести то, что поршни для обеспечения гипоциклоидности выполняют еще и функцию ползунов, а это роднит их с бесшатунными механизмами, известными как схемы С.С.Баландина, к сожалению, так и не получивших широкого распространения по причине заклинивания двигателей, выполненным по этим схемам, из-за быстрого износа («выкрашивания» ползунов и направляющих) и нежесткости конструкции.
Целью изобретения является расширение арсенала технических средств и создание одновального бесшатунного механизма без ползунов и синхронизирующих валов с улучшенными моторесурсными параметрами.
Изобретение направлено на реализацию возможности шестеренного гипоциклоидного планетарно-кривошипного бесшатунного преобразования возвратно-поступательного движения штока поршня во вращательное движение вала (и наоборот) в поршневой машине с многоколенчатым валом, т.е. в поршневой машине с большим рядным количеством цилиндров, в котором роль вала отбора и суммирования мощности, а также роль синхронизирующего вала с шестернями - выполняет сам коленчатый вал.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что шестеренный бесшатунный механизм с многоколенчатым валом, согласно изобретению, содержит корпус и коленчатый вал, каждое звено колена которого наряду с коренной шейкой, щечкой и шатунной шейкой, содержит также большую солнечную шестерню внутреннего зацепления, среднюю солнечно-планетарную шестерню внутреннего зацепления и малую планетарную шестерню-сателлит внешнего зацепления, а также эксцентриковую втулку, с возможностью вращения на шатунной шейке, и, шток поршня, посаженный на наружную шейку эксцентриковой втулки с возможностью вращения вокруг нее, при этом солнечная шестерня жестко зафиксирована на корпусе соосно коренной шейке, солнечно-планетарная шестерня жестко зафиксирована на торце эксцентриковой втулки соосно шатунной шейке, а планетарная шестерня-сателлит размещена на щечке с противоположной от шатунной шейки стороны, с возможностью свободного вращения вокруг оси, проходящей через тело щечки и расположенной в плоскости осей шатунной и коренной шеек параллельно им между осью шатунной шейки и зеркальным к ней отражением оси коренной шейки, и с возможностью одновременного вхождения в зацепление с солнечной и солнечно-планетарной шестерней, тело коленчатого вала с планетарной шестерней-сателлитом проходит внутри солнечной шестерни и солнечно-планетарной шестерни, радиус которой равен радиусу кривошипа коленчатого вала, радиусу эксцентриситета эксцентриковой втулки и четверти диаметра солнечной шестерни.
Использование в «классическом» шестеренном гипоциклоидном преобразователе вместо планетарной шестерни внешнего зацепления, жестко закрепленной на планетарно-вращающемся кривошипном вале - солнечно-планетарной шестерни внутреннего зацепления (жестко закрепленной на вращающейся эксцентриковой втулке) и применение дополнительной планетарной шестерни-сателлита, кинематически связывающих ее внешним зацеплением с солнечно-планетарной шестерней и с солнечной шестерней, зафиксированной на корпусе, позволяет отказаться от валов синхронизации, отбора и суммирования мощности, функции которых в поршневой машине с большим рядным количеством цилиндров выполняет сам коленчатый вал.
Позвенная кинематическая связь единого цельного коленчатого вала с корпусом машины через солнечные шестерни позволяет разгрузить коленчатый вал от переменных крутильных и изгибающих нагрузок и увеличить жесткость корпуса и коленчатого вала, распределив нагрузки по их пространственной длине.
Шестеренный бесшатунный механизм с многоколенчатым валом изображен на фиг.1 (общий вид звена колена коленчатого вала в продольном разрезе) и содержит: корпус 1, коленчатый вал 2, коренную шейку 3 коленчатого вала, шатунную шейку 4 коленчатого вала, щечку 5 коленчатого вала, большую солнечную шестерню 6 внутреннего зацепления, среднюю солнечно-планетарную шестерню 7 внутреннего зацепления, малую планетарную шестерню-сателлит 8 внешнего зацепления с возможностью вращения вокруг оси 9, эксцентриковую втулку 10, шток поршня 11 с большой головкой.
Механизм работает следующим образом. При вращении в корпусе 1 коленчатого вала 2 происходит обкатывание планетарной шестерней-сателлитом 8 солнечной шестерни 6 с передачей вращения солнечно-планетарной шестерне 7, которая в свою очередь передает вращение эксцентриковой втулке 10. При этом за счет соотношения диаметров солнечной и солнечно-планетарной шестерен, за один оборот коленчатого вала эксцентриковая втулка совершит два оборота, как и в «классическом» шестеренном гипоциклоидном бесшатунном механизме, что заставляет головку штока поршня совершать прямолинейные возвратно-поступательные перемещения «без шатания».
Выбор оптимальных соотношений размеров кривошипа и диаметров коренных и шатунных шеек коленчатого вала позволит (при технологической сборке машины) без разрезания «нанизывать» на коленчатый вал солнечные, солнечно-планетарные и планетарные шестерни, а также поршневые штоки большими головками, а затем устанавливать «собранный» коленчатый вал в корпус машины на «постели» опор коренных шеек, закрепляя их крышками 12, с последующей фиксацией к корпусу 1 солнечных шестерен 6. Единственное, что нельзя установить без разрезания - эксцентриковые втулки 10, которые могут быть выполнены как вкладыши подшипников скольжения, обычно конструируемые разрезными. При этом вместо подшипников скольжения между эксцентриковыми втулками и головками поршневых штоков могут быть установлены подшипники качения 13.
Ось планетарной шестерни-сателлита, согласно изобретению, может быть выполнена в виде цапфы, являющейся частью щечки, отлитой с коленчатым валом единым телом, либо выполнена в виде цапфы жестко зафиксированной сбоку на щечке коленчатого вала, либо выполнена в виде вала, проходящего сквозь щечку и шатунную шейку коленчатого вала.
На одной шатунной шейке коленчатого вала, согласно изобретению, могут быть размещены две, с возможностью жесткого спаривания, эксцентриковые втулки с разнонаправленными эксцентриситетами, и, соответственно - по два оппозитно-спаренных поршневых штока.
Солнечная, солнечно-планетарная и планетарная шестерни, согласно изобретению, могут быть расположены на каждой щечке по разные стороны от шатунной шейки, при этом солнечные шестерни по разные стороны от шатунной шейки могут фиксироваться на корпусе с предварительным натягом вращения в противоположных направлениях для исключения люфтов в зубчатых зацеплениях, что заметно снизит уровень фактора «выкрашивания» зубьев.
Во избежание заклинивания механизма при значительных неточностях соблюдения размеров радиуса кривошипов коленчатого вала и эксцентриситетов эксцентриковых втулок на стадии изготовления или в результате износа деталей - штоки могут быть выполнены как шатуны (с малой амплитудой «шатания»), при этом размер эксцентриситета эксцентриковой втулки может быть равен, меньше или больше размера радиуса кривошипа коленчатого вала, который в свою очередь может быть равен, меньше или больше размера радиуса солнечно-планетарной шестерни при обязательном соотношении ее передаточного числа к солнечной шестерне 2/1.
Техническим результатом изобретения является повышение жесткости конструкции устройства, увеличение его долговечности и моторесурса.
Шестеренный бесшатунный механизм с многоколенчатым валом может быть использован в двигателестроении мощных многорядных многоцилиндровых двигателей с внешним подводом теплоты (внешнего сгорания), например, стирлинговых двигателей, для надводных судов, подводных лодок, магистральных железнодорожных тепловозов, большегрузных тягачей и карьерных самосвалов.