РЕЕЧНО-ЗУБЧАТАЯ ПОРШНЕВАЯ МАШИНА С ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ СТЕПЕНИ СЖАТИЯ И ОТКЛЮЧЕНИЕМ ПОРШНЕЙ
RACK AND TOOTH PISTON MACHINE WITH SWITCHING OF COMPRESSION STAGE AND DISCONNECTION OF PISTONS

Предлагаемое устройство 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), основу которого представляет собой КШМ (кривошипно-шатунный механизм), преобразующий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала (1. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. /В.П.Алексеев и др.; Под общ. ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова. - 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 - кривошипы коленчатого вала сложно изготовить, он 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 /1. с.63-79/.
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 /1. с.66, рис.21/. При значительной боковой нагрузке на поршень приходится применять крейцкопф /1. с.63, рис.19,б/.
Известны бесшатунные двигатели внутреннего сгорания без КШМ на основе авторского свидетельства №118471 (2. Баландин С.С. Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1972. - 176 с). 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 /2/.
Однако бесшатунный механизм имеет сложную кинематику /12. рис.3-10 и др./. 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 /12. 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 реечно-шестеренным механизмом /1. с.262, рис.182, б/.
Известно, что такая поршневая машина состоит их 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 реечно-шестеренный механизм применяют только как синхронизирующий на быстроходных генераторах газа. Такая поршневая машина имеет фиксированный ход поршня и степень сжатия, что ограничивает ее эксплуатационные возможности.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, состоит в расширении возможностей поршневой машины с реечно-шестеренным механизмом.
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что поршневая машина содержит цилиндры, поршни с противоположно расположенными зубчатыми рейками, вал, по две шестерни с полумуфтами переключения свободно установлеными на валу между полумуфтами переключения с фиксаторами их положения на валу, у шестерен зубья нарезаны на дуге длиной не более половины длины окружности, они поочередно зацеплены с зубчатыми рейками.
Предлагаемое техническое решение существенно расширяет возможности поршневой машины, она обратима - позволяет использовать ее как быстроходный высокоэкономичный ДВС, а также как компрессор или насос как одноцилиндровый, так и многоцилиндровый. Переключение величины хода поршня, а значит и степени сжатия, допускает возможность использования различных видов топлива: бензин с различным октановым числом, бензин и газ, бензин и дизельное топливо и т.д. Отключение части поршней от вала, при одновременном отключении подачи топлива в цилиндры этих поршней, позволяет эксплуатировать поршневую машину на экономичном режиме в различных условиях эксплуатации; облегчаются условия запуска двигателя в зимний период - стартером запускается один или два цилиндра, а затем от работающих цилиндров все остальные. Расширяются компоновочные возможности: вал без кривошипов прост в изготовлении, обладает достаточной прочностью и жесткостью, не требует большого числа опор (современные коленчатые валы, как правило, полноопорные - число коренных шеек на одну больше, чем у шатунных), он может быть трубчатым, внутри можно провести вал трансмиссии, что повышает ее КПД; поршневая машина может быть не только рядной, но и V-образной, W-образной, Ш-образной, оппозитной с противоположно развернутыми поршнями, звездообразной и т.д.
На фиг.1,а показана упрощенная схема 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. Между точками О-О' - величина хода поршней между мертвыми точками. На фиг.1,б поршневая машина показана в состоянии, когда поршни находятся в крайнем правом положении: правый поршень в ВМТ, левый поршень в НМТ. На фиг.1,в - вид сверху и сбоку на оппозитную многоцилиндровую поршневую машину.
На фиг.2,а приведен вид вала с полумуфтами переключения: в левой части - разрез, в центре - вид на полумуфту переключения, справа - вал без разреза, за валом видны цилиндры. На фиг.2,б дан вид на кулачковую полумуфту переключения с увеличенным кулачком, фиксирующим положение относительно вала. На фиг.2,в приведен вид на вал с маховиком и сцеплением, ведомый диск которого установлен на валу с кулачковой полумуфтой отключения поршней. На фиг.2,г показан вид сверху на плотную, «плоскую», оппозитную компоновку многоцилиндровой поршневой машины, а на фиг.2,г - вид сбоку.
На фиг.3,а показан разрез V-образной компоновки поршневой машины: слева - поршень в ВМТ, справа - в НМТ. Точками О обозначены крайние положения зубчатых реек. Внутри трубчатого вала с шестерней показан вал трансмиссии. Если убрать один из цилиндров с поршнем, то получим одноцилиндровую поршневую машину, если расположить цилиндры один за другим - рядную компоновку многоцилиндровой поршневой машины. На один вал можно скомпоновать шестерни, зубчатые рейки, поршни и цилиндры в различных вариантах: как отдельно, так и попарно (см. фиг.1), при этом получить W-образную, крестообразную, звездообразную, Х-образную, перпендикулярную и др. компоновки (см. фиг.3,6).
На фиг.4 приведены некоторые варианты компоновки многоцилиндровой поршневой машины с несколькими валами. На фиг.4,а показан вид сбоку на два ряда цилиндров, расположенных в шахматном порядке, с зубчатыми рейками и шестернями на двух валах, которые зубчатыми передачами соединены с выходным валом привода маховика, на фиг.4,б - вид сверху. На фиг.4,в показана Ш-образная компоновка «этажеркой». Три вала (рейки и шестерни не показаны) зубчатыми передачами объединены с выходным валом привода маховика (совмещен со средним валом). Допускается компоновка большего числа валов.
В цилиндре 1 (см. фиг.1) установлены поршни 2 (поршневые кольца не показаны), соединенные зубчатыми рейками 3 и 4, которые поочередно зацеплены с шестерней 5, зубья шестерни нарезаны на дуге длиной не более половины длины окружности. Длина дуги меньше половины длины окружности на два угла зацепления - угол зацепления в основном 20°, т.е. длина дуги приблизительно 140°. Степень сжатия можно отрегулировать перемещением поршней 2 относительно зубчатых реек 3 и 4, например, установкой прокладок или резьбовыми соединениями (на фиг.1 не показаны). Поршни 2 могут иметь второй ряд зубчатых реек 6 и 7, которые поочередно зацеплены с шестерней 8 с кулачковой полумуфтой переключения (см. фиг.2). Зубчатые зацепления двух рядов «рейка-шестерня» имеют разные параметры: модуль, число зубьев. Вал шестерен 9 установлен на опорах вращения 10. Вал шестерен 9 может быть сплошным или трубчатым для размещения внутреннего вала 11, который может быть трансмиссионным. Внутреннее пространство трубчатого вала шестерен 9 может быть использовано и для других целей, например, оружейного ствола. Для монтажа шестерен 5 и 8 с кулачковыми полумуфтами переключения, а также односторонних полумуфт переключения 12 и двусторонних полумуфт переключения 13 наружную поверхность вала шестерен 9 целесообразно изготовить со шлицами, число которых должно быть кратно числу цилиндров - для установки муфт переключения под разными углами в соответствии с порядком работы цилиндров. На шлицы вала шестерен 9 установлены опоры вращения Т4 для шестерен 5 и 8 с кулачковыми полумуфтами переключения, а также опоры 15 с наружными шлицами для односторонних кулачковых полумуфт переключения 12. Между опорами вращения 14 размещены опоры 16 с наружными шлицами для двусторонних полумуфт переключения 13. Полумуфты переключения 12, 13 имеют кулачки увеличенной ширины 17 (см. фиг.2,б), а кулачковые полумуфты шестерен 5 и 8 - углубления соответствующей ширины, углубления между кулачками показаны штриховкой. На валу 9 закреплен маховик 18 (см. фиг.2,в), с внутренней стороны маховика смонтировано сцепление с нажимным диском 19 и ведомым диском 20 (нажимное устройство и механизм выключения не показаны). Ведомый диск сцепления 20 установлен на шлицах трубчатого вала отключения 21. На шлицах этого вала, рядом с шестерней 8 с кулачковой муфтой переключения, расположена односторонняя полумуфта переключения 12. Цилиндры 1, поршни 2 и зубчатые рейки 3 могут иметь самую различную компоновку: рядную, оппозитную, с противоположно развернутыми поршнями (см. фиг.1), V-образную (см. фиг.3) и другие с выходом зубчатых реек на один вал шестерен 9 (см. фиг.3,6), а также с выходом на несколько валов шестерен 9 зубчатыми передачами, обеспечивающими соединение валов 9 с выходным валом и маховиком 18. При этом цилиндры 1 могут располагаться как в шахматном порядке (см. фиг.4,а,б), так и параллельно «этажеркой» (см. фиг.4,в).
Шестерня 5 может быть закреплена на валу 9 без использования полумуфт переключения. Цилиндр 1 может состоять из двух частей, соединенных общим картером. Зубчатые зацепления «3,4-5 и 6,7-8» могут иметь различный шаг и модуль (переменное условное передаточное число).
Предлагаемая поршневая машина работает следующим образом.
1. Режим ДВС. На фиг.1,а - слева рабочий ход - сила от давления газов сгорающей рабочей смеси в левой части цилиндра 1 действует на левый поршень 2 и верхнюю зубчатую рейку 3, зубья которой взаимодействуют с зубьями шестерни 5, заставляя ее и вал 9 вращаться по часовой стрелке. Вал 9 передает энергию маховику (на схеме не показан), который обеспечивает привод исполнительных и вспомогательных механизмов, а также накапливает часть энергии для осуществления других тактов двигателя. Зубья нижней рейки 4 при этом движении не взаимодействуют с зубьями шестерни 5 - свободный ход. Если двигатель четырехтактный, то в правой полости цилиндра 1 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).
На фиг.1,б - справа рабочий ход. Правый поршень 2 через нижнюю зубчатую рейку 4 вращает шестерню 5 и вал 9 также по часовой стрелке. Верхняя зубчатая рейка 3 совершает свободный ход. Если справа такт впуска горючей смеси или воздуха, то запасенная маховиком энергия валом 9 и шестерней 5 перемещает нижнюю зубчатую рейку 4 и поршни 2.
2. Режим компрессора или насоса. На фиг.1,а вал 9 и шестерня 5 вращаются против часовой стрелки и взаимодействуют с нижней зубчатой рейкой 4, которая перемещает поршни 2 из левого положения в правое. В правой половине - для компрессора сжатие воздуха (газа) или для насоса вытеснение жидкости, в левой половине - впуск (всасывание) воздуха (газа) или наполнение жидкостью. На фиг.1,б вал 9 и шестерня 5 также вращаются против часовой стрелки и взаимодействуют с верхней зубчатой рейкой 3, которая перемещает поршни 2 из правого положения в левое. В левой половине - сжатие воздуха (газа) или вытеснение жидкости, в правой половине - впуск (всасывание) воздуха (газа) или наполнение жидкостью. Для изменения направления вращения вала 9 достаточно незначительно сместить зубчатые рейки 3 и 4 относительно друг друга.
На одном валу 9 может быть несколько шестерен 5 и взаимосвязанных с ними элементов поршневой машины - можно получить многоцилиндровые поршневые машины. 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.
На фиг.2,а муфты переключения показаны в нейтральном состоянии - кулачковые полумуфты 12 и 13, установленные на шлицевых опорах 14 и 15 вала шестерен 9, не взаимодействуют с кулачковыми полумуфтами шестерен 5 и 8. При перемещении кулачковых полумуфт 12 и 13 направо, они входят в зацепление с кулачковыми полумуфтами шестерен 5, установленными на опорах вращения 14, взаимосвязанных с зубчатыми рейками 3 и 4. Фиксатор 17 - кулачок увеличенной ширины - войдет в зацепление с другой полумуфтой, имеющей паз такой же ширины, только в положении, соответствующем порядку работы цилиндров. Работа поршневой машины осуществляется так же, как и на фиг.1. Для увеличения хода поршней 2, а значит и степени сжатия, перемещаем кулачковые полумуфты 12 и 13 налево, они входят в зацепление с кулачковыми полумуфтами шестерен 8, установленными на опорах вращения 14, взаимосвязанных с зубчатыми рейками 6 и 7. Переключение между шестернями 5 и 8 с кулачковыми полумуфтами не вызывает затруднений, так как разница их угловых скоростей невелика. Для отключения цилиндров 1 и поршней 2 из работы кулачковую полумуфту или полумуфты 12 и 13 переключаем в нейтральное состояние.
Для включения в работу ранее отключенных цилиндров 1 и поршней 2 необходимо выровнять существенную разность угловых скоростей между соединяемыми полумуфтами переключения 12, 13 и 5, 8. Для высококвалифицированных водителей такое включение не вызывает затруднений, аналогично переключению передач в коробке передач практически без разрыва потока мощности. Обычным водителям для такой операции необходимо сцепление, которое выключают, разобщая ведомый диск сцепления 20 с взаимосвязанными с ним трубчатым валом отключения 21 и односторонней кулачковой полумуфтой переключения 12 от ведущих звеньев: нажимного диска 19 и маховика 18. Соединив шестерню с кулачковой полумуфтой переключения 8 с односторонней кулачковой полумуфтой переключения 12, включаем сцепление, зажимая ведомый диск сцепления 20 между ведущими звеньями: нажимным диском 19 и маховиком 18, при этом шестерня с кулачковой полумуфтой переключения 8 по зубчатым рейкам 6 и 7 подключает в работу отключенные ранее цилиндры 1 и поршни 2.
Для запуска многоцилиндрового ДВС в холодный период времени (см. фиг.2,в) включаем кулачковой полумуфтой 12 только кулачковую полумуфту шестерни 8 и при включенном сцеплении, когда нажимной диск 19 прижимает ведомый диск 20 к маховику 18, стартером (на схеме не показан) приводим в движение поршни 2 крайних цилиндров 1. Допускается применение пневмозапуска, когда сжатый воздух пневмораспределителем подается прямо в цилиндры. Когда ряд цилиндров 1 с поршнями 2 и зубчатыми рейками 6 и 7 включается в работу, сцепление выключается, нажимной диск 19 отходит от ведомого диска 20, маховик 18 с валом 9 уменьшают частоту вращения, разность скоростей вращения рядом расположенных полумуфт переключения также снижается и позволяет соединить полумуфты. После подключения незапущенных поршней к валу 9, включаем сцепление и от работающих крайних цилиндров запускаем остальные. При такой схеме запуска двигателя не требуется большая мощность стартера и системы его питания.
При оппозитной схеме компоновки поршни 2, соединенные зубчатыми рейками 3 и 4 (см. фиг.1), выполняют функцию направляющих элементов, воспринимают усилия в зубчатых зацеплениях. При других компоновочных схемах: рядной, V-образной и других (см. фиг.3 и 4) усилия в зубчатом зацеплении между шестерней 5 и зубчатыми рейками 3 и 4 могут восприниматься стенками цилиндров 1 непосредственно от наружной поверхности зубчатых реек. Надо учитывать тот факт, что максимальные усилия возникают в ВМТ (см. фиг.3 слева), когда зубчатые рейки взаимодействуют со стенками цилиндра 1 по значительной длине, при сокращении длины контакта усилие на поршень 2 уменьшается. Для тяжело нагруженных поршневых машин целесообразно устанавливать дополнительные направляющие - опоры качения или скольжения, фиксирующие зубчатые рейки 3, 4 и 6, 7 от боковых перемещений.
При компоновке цилиндров 1 в несколько рядов (см. фиг.4) крутящий момент от валов 9 зубчатыми передачами передается на выходной вал и маховик 18.