ГИПОЦИКЛОИДНЫЙ МЕХАНИЗМ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ВО ВРАЩАТЕЛЬНОЕ Российский патент 1999 года по МПК F16H21/18 F01B9/02 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение валов в двигателях внутреннего сгорания, компрессорах, пневмомоторах, гидронасосах, гидромоторах и т.д.

В качестве аналога можно указать механизм, содержащий корпус и размещенные в нем крестообразно по крайней мере два штока с оппозитно расположенными поршнями и с ползунами, опирающимися на корпус с возможностью перемещения по направляющим вдоль осей соответствующих штоков. При этом штоки соединены вращательным образом с кривошипными шейками коленчатого вала, который опорными шейками установлен в кривошипах с возможностью вращения. Каждый из кривошипов установлен в корпусе с возможностью вращения и снабжен шестернями с одинаковыми диаметрами делительных окружностей, входящими в зацепление с шестернями соединительного вала, который установлен в корпусе с возможностью вращения параллельно оси кривошипов (1).

Недостатком механизма является низкий коэффициент полезного действия за счет применения ползунов, перемещающихся по направляющим со скольжением.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является механизм, содержащий корпус, размещенные в нем по крайней мере один шток с поршнем, с возможностью вращения кривошипы, соединенный со штоком посредством штоковой шейки коленчатый вал, установленный на кривошипах через опорные подшипники с параллельным смещением от их оси на величину смещения оси штоковой шейки от оси опорных подшипников, и механизм синхронизации вращения, содержащий две одинаковых шестерни коленчатого вала, установленные соосно опорным подшипникам, каждая из которых зацеплена с соответствующей неподвижной шестерней внутреннего зацепления, установленной в корпусе соосно кривошипам (2).

Известный механизм обеспечивает прямолинейное перемещение штока с поршнем, но условием его существования является равенство диаметров делительных окружностей шестерен коленчатого вала внешнего зацепления двум величинам смещения оси штоковой шейки коленчатого вала и половине диаметра делительных окружностей неподвижных шестерен внутреннего зацепления, установленных в корпусе.

В результате, шестерни коленчатого вала с диаметрами делительных окружностей, равными половине хода поршня, нагружаются полным крутящим моментом коленчатого вала, что приводит к высоким контактным давлениям в зубчатых зацеплениях шестерен. Высокая нагруженность зубчатых зацеплений шестерен снижает надежность такого механизма и сужает область его возможного применения.

Технический результат, который может быть достигнут от использования предложенного технического решения, заключается в повышении надежности механизма путем снижения контактных давлений зубчатого зацепления шестерни коленчатого вала с ответной шестерней за счет большего ее диаметра, причем величины диаметров шестерен коленчатого вала и других шестерен механизма могут быть подобраны, исходя из технических требований к механизму.

Указанный результат достигается тем, что известный механизм снабжен установленным на кривошипе блоком соосных шестерен с осью вращения, параллельно смещенной относительно оси вращения кривошипа, состоящим из шестерни внутреннего зацепления, предназначенной для взаимодействия с шестерней коленчатого вала, и шестерни внешнего зацепления, предназначенной для взаимодействия с неподвижной шестерней внутреннего зацепления, установленной в корпусе соосно кривошипу.

На фиг.1 представлена кинематическая схема гипоциклоидного механизма при смещенной оси блока шестерен относительно оси кривошипа в плоскости, принадлежащей ей и оси коленчатого вала (Ψ = 0^o), на величину, большую смещения оси коленчатого вала от оси кривошипа, где Ψ - угол между плоскостями, одна из которых образована осью кривошипа и осью коленчатого вала, другая образована осью кривошипа и осью блока соосных шестерен; на фиг. 2 представлена кинематическая схема гипоциклоидного механизма при смещенной оси блока шестерен относительно оси кривошипа в плоскости, принадлежащей ей и оси коленчатого вала (Ψ = 0^o), на величину, меньшую смещения оси коленчатого вала от оси кривошипа; на фиг.3 представлена кинематическая схема гипоциклоидного механизма при смещенной оси блока шестерен относительно оси кривошипа в плоскости, принадлежащей ей и оси коленчатого вала (Ψ = 180^o), на величину, меньшую смещения оси коленчатого вала от оси кривошипа; на фиг.4 представлена кинематическая схема гипоциклоидного механизма с коленчатым валом, выполненным в виде полого эксцентрикового вала при смещенной оси блока шестерен относительно оси кривошипа в плоскости, принадлежащей ей и оси коленчатого вала (Ψ = 0^o), на величину, большую смещения оси коленчатого вала от оси кривошипа; на фиг.5 представлена кинематическая схема гипоциклоидного механизма с коленчатым валом, выполненным в виде полого эксцентрикового вала при смещенной оси блока шестерен относительно оси кривошипа в плоскости, принадлежащей ей и оси коленчатого вала (Ψ = 0^o), на величину, меньшую смещения оси коленчатого вала от оси кривошипа; на фиг. 6 представлена кинематическая схема гипоциклоидного механизма с коленчатым валом, выполненным в виде полого эксцентрикового вала при смещенной оси блока шестерен относительно оси кривошипа в плоскости, принадлежащей ей и оси коленчатого вала (Ψ = 180^o), на величину, меньшую смещения оси коленчатого вала от оси кривошипа; на фиг.7 показана компоновка двигателя внутреннего сгорания с механизмом, схема которого показана на фиг.6 с коленчатым валом, выполненным в виде полого эксцентрикового вала при смещенной оси блока шестерен относительно оси кривошипа в плоскости, принадлежащей ей и оси коленчатого вала (Ψ = 180^o), на величину, меньшую смещения оси коленчатого вала от оси кривошипа; на фиг. 8 показана компоновка двигателя внутреннего сгорания с механизмом, схема которого показана на фиг.1 с поворотом плоскости осей блока соосных шестерен и кривошипа на угол Ψ, равный 40^o в любую из сторон от плоскости осей коленчатого вала и кривошипа; на фиг.9 показана компоновка двигателя внутреннего сгорания с механизмом, схема которого показана на фиг.1 с поворотом плоскости осей блока соосных шестерен и кривошипа на угол Ψ, равный 40^o в любую из сторон от плоскости осей коленчатого вала и кривошипа с соединительным валом между кривошипами.

Гипоциклоидный механизм содержит корпус 1, размещенные в нем шток 2 с поршнем 3, с возможностью вращения кривошип 7, соединенный со штоком 2 посредством штоковой шейки 4 коленчатый вал 5, установленный на кривошипе 7 через опорные подшипники 6, и механизм синхронизации вращения, содержащий шестерню коленчатого вала 8, установленную соосно опорным подшипникам 6 на коленчатом валу 5, и неподвижную шестерню 9 с внутренним зацеплением, установленную в корпусе 1 соосно кривошипу 7, а также механизм снабжен установленным на кривошипе 7 блоком соосных шестерен 10 с осью вращения, параллельно смещенной относительно оси вращения кривошипа, состоящего из шестерни внутреннего зацепления 11, предназначенной для взаимодействия с шестерней коленчатого вала 8, и шестерни внешнего зацепления 12, предназначенной для взаимодействия с неподвижной шестерней 9.

Гипоциклоидный механизм работает следующим образом:
Поступательное движение поршня 3 в корпусе 1 вызывает перемещение штока 2 и связанной с ним штоковой шейки 4, что приводит к вращению коленчатого вала 5 и кривошипа 7 в противоположных направлениях, причем коленчатый вал 5 вращается на опорных подшипниках 6 в два раза быстрее, чем кривошип 7. Шестерня 8, установленная соосно опорным подшипникам 6 на коленчатом валу 5, через шестерню внутреннего зацепления 11 передает вращение блоку соосных шестерен 10, который находится в зацеплении с неподвижной шестерней 9, установленной в корпусе 1 через шестерню внешнего зацепления 12, благодаря чему обеспечивается синхронное вращение коленчатого вала 5 и кривошипа 7.

Исходя из кинематических требований к гипоциклоидным механизмам и для достижения заявленного технического результата диаметры делительных окружностей шестерен механизма должны удовлетворять соотношениям:

D₃ = D₂D₄/2D₁;
D₄ = D₃ + 2R;
D₁ > 2r; D₂ < 2D₁; R > 0;
при Ψ = 0; R ≠ r,
где D₂ - диаметр делительной окружности шестерни внутреннего зацепления блока соосных шестерен;
D₁ - диаметр делительной окружности шестерни коленчатого вала;
r - величина смещения оси штоковой шейки от оси коленчатого вала, а также величина смещения оси коленчатого вала от оси кривошипа;
R - величина смещения оси блока соосных шестерен от оси кривошипа;
Ψ - угол между плоскостями, одна из которых образована осью кривошипа и осью коленчатого вала, другая образована осью кривошипа и осью блока соосных шестерен;
D₃ - диаметр делительной окружности шестерни внешнего зацепления блока соосных шестерен;
D₄ - диаметр делительной окружности неподвижной шестерни внутреннего зацепления, установленной в корпусе соосно кривошипу.

Исследование, проведенное заявителем, показывает, что в зависимости от целей и задач, стоящих перед конструктором изделий с применением предлагаемого изобретения, может оказаться рациональным любой из вариантов выполнения изобретения.

Конструктивная проработка двигателей внутреннего сгорания мощностью до 100 лошадиных сил (фиг.7) показала, что наиболее рационально применение гипоциклоидного механизма, выполненного по схеме, изображенной на фиг. 6 с коленчатым валом, выполненным в виде полого эксцентрикового вала при смещенной оси блока шестерен относительно оси кривошипа в плоскости, принадлежащей ей и оси коленчатого вала, на величину, меньшую смещения оси коленчатого вала от оси кривошипа и в сторону, противоположную смещению коленчатого вала.

Конструктивная проработка двигателей внутреннего сгорания мощностью до 600 лошадиных сил (фиг.8 и фиг.9) показала целесообразность применения гипоциклоидного механизма, выполненного по схеме, показанной на фиг.1 при смещенной оси блока шестерен относительно оси кривошипа на величину, большую смещения оси коленчатого вала относительно оси кривошипа с поворотом плоскости осей блока соосных шестерен и кривошипа на угол Ψ, равный 40^o в любую из сторон от плоскости осей коленчатого вала и кривошипа, что позволяет получить компактную конструкцию блока соосных шестерен и механизма двигателя в целом.

Большей эффективности двигателей с таким механизмом можно достичь применением оппозитно расположенных цилиндров.

Максимальная эффективность использования описанных гипоциклоидных механизмов может быть достигнута применением двухстороннего рабочего процесса в цилиндрах при двухтактном рабочем цикле и будет характеризоваться максимальным значением коэффициента полезного действия и максимальной реализуемой мощностью при минимальной массе подвижных элементов механизма и двигателя в целом.

Источники информации.

1. Баландин С. С. "Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания." Машиностроение, 1972 г. - С. 14, Рис. 11 (а).

2. Баландин С. С. "Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания." Машиностроение, 1972 г. - С. 14, Рис. 11 (б) (прототип).

Изобретение может быть использовано в качестве преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное в двигателях внутреннего сгорания, компрессорах и т.д. В корпусе механизма размещен шток с поршнем. Шток соединен вращательным образом с коленвалом, установленным на кривошипе. Кривошип установлен в корпусе с возможностью вращения. Имеется механизм синхронизации вращения, состоящий из шестерни коленвала и неподвижной шестерни с внутренним зацеплением. На кривошипе установлен блок дополнительных шестерен, ось вращения которых параллельно смещена относительно оси вращения кривошипа. Блок состоит из шестерни внутреннего зацепления, взаимодействующей с шестерней коленвала, и шестерни внешнего зацепления, взаимодействующей с неподвижной шестерней. Введение дополнительных шестерен позволяет повысить надежность механизма путем снижения контактных давлений в зубчатом зацеплении коленвала с ответной шестерней за счет большего ее диаметра. 1 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Гипоциклоидный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, содержащий корпус, размещенный в нем по крайней мере один шток с поршнем, соединенный посредством штоковой шейки вращательным образом с коленчатым валом, установленным через опорные подшипники на кривошипе, размещенном в корпусе с возможностью вращения, и механизм синхронизации вращения, содержащий шестерню коленчатого вала, закрепленную соосно опорным подшипникам, и неподвижную шестерню с внутренним зацеплением, установленную в корпусе соосно кривошипу, отличающийся тем, что механизм снабжен установленным на кривошипе блоком соосных шестерен с осью вращения, параллельно смещенной относительно оси вращения кривошипа, состоящим из шестерни внутреннего зацепления, предназначенной для взаимодействия с шестерней коленчатого вала, и шестерни внешнего зацепления, предназначенной для взаимодействия с неподвижной шестерней. 2. Гипоциклоидный механизм по п.1, отличающийся тем, что коленчатый вал выполнен в виде эксцентрикового вала с размещенными в его полости опорными подшипниками.