ГИПОЦИКЛОИДНЫЙ МЕХАНИЗМ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ВО ВРАЩАТЕЛЬНОЕ Российский патент 1999 года по МПК F16H21/40 

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

В качестве аналога можно указать гипоциклоидный механизм, содержащий корпус и размещенный в нем по крайней мере один шток с поршнем, соединенный с ним посредством кривошипа коленчатый вал, опорные шейки которого установлены в подшипниках кривошипов, и механизм синхронизации, выполненный в виде двух одинаковых шестерен внешнего зацепления, закрепленных на опорных шейках коленчатого вала и предназначенных для взаимодействия с шестернями внутреннего зацепления, установленными неподвижно в корпусе соосно кривошипам [1].

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

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является механизм, содержащий корпус, размещенные в нем направляющие с осями, перпендикулярными оси механизма и принадлежащими, по крайней мере, двум плоскостям, пересекающимся по оси механизма, в каждой из которых размещены с возможностью перемещения ползуновые опоры, по крайней мере, одна из которых снабжена поршнем, с установленными в них вращательным образом посредством кривошипных шеек коленчатых валов, размещенных последовательно вдоль оси механизма таким образом, что их оси параллельно взаимно смещены поворотом относительно оси механизма, причем оси кривошипных шеек параллельны осям коленчатых валов и равноудалены от них. Коленчатые валы установлены опорными шейками в подшипниках кривошипов с осями вращения, смещенными относительно осей вращения кривошипов на величину смещения кривошипных шеек относительно оси коленчатого вала, при этом кривошипы установлены в корпусе по оси механизма с возможностью вращения вокруг собственных осей и снабжены шестернями с одинаковыми диаметрами делительных окружностей, входящими в зацепление внешним образом с шестернями соединительных валов, которые установлены в корпусе с возможностью вращения параллельно оси механизма.

Известный механизм отличается сложностью кинематической схемы, обусловленной необходимостью синхронизации вращения кривошипов посредством соединительных валов и зубчатых колес.

Для передачи крутящих моментов, возникающих на коленчатых валах от действия на его кривошипные шейки ползуновых опор с поршнями, через опорные шейки коленчатых валов на кривошипы с шестернями, зацепленными с шестернями соединительных валов, через соединительные валы к кривошипу с выходным валом используется большое количество подвижных силовых кинематических связей, таких как ползуновые опоры, опирающиеся на корпус с возможностью перемещения по направляющим, соединение ползуновых опор с кривошипными шейками коленчатых валов, опорные шейки коленчатого вала, установленные в кривошипах с возможностью вращения, подшипниковые опоры кривошипов на корпус, зубчатые зацепления шестерен кривошипов с шестернями соединительного вала, подшипниковые опоры соединительных валов на корпус, что приводит к снижению коэффициента полезного действия, увеличению веса, снижению надежности и увеличению стоимости изготовления конструкций с таким механизмом [2].

Технический результат, который может быть достигнут от использования предложенного технического решения, заключается в повышении коэффициента полезного действия механизма, уменьшении веса, повышении надежности и уменьшении стоимости изготовления конструкций путем уменьшения в механизме количества подвижных силовых кинематических связей и кинематических звеньев.

Указанный результат достигается тем, что известный механизм снабжен выходным валом, установленным в корпусе с возможностью вращения по оси механизма с одной из сторон от коленчатых валов, и шарнирными муфтами в количестве коленчатых валов, соединяющими соответственно противостоящие смещенные торец выходного вала с торцем коленчатого вала и противостоящие смещенные торцы коленчатых валов, при этом возможны несколько вариантов выполнения механизма.

В первом варианте каждый из коленчатых валов выполнен содержащим, по крайней мере, четыре кривошипных шейки. При этом шарнирные муфты могут быть применены трех различных типов.

Шарнирная муфта первого типа выполнена в виде двух дисков с одинаковым количеством пальцев и одинаковыми диаметрами их расположения, установленных на торцах соединяемых валов, соосно их осям вращения пальцами навстречу, при этом пальцы обоих дисков попарно шарнирно соединены посредством тяг таким образом, что оси тяг параллельны.

Шарнирная муфта второго типа является развитием шарнирной муфты первого типа и с целью компенсации радиальных перемещений при передаче крутящего момента один из дисков выполнен в виде двух сцепленных полумуфт с радиальным зазором, относительное осевое перемещение которых ограничено двумя упорными поверхностями, одна из которых не оснащена пальцами и прикреплена к торцу вала.

Шарнирная муфта третьего типа выполнена в виде компенсирующего осевые перемещения карданного вала с шарнирами Гука или с синхронными муфтами, или с зубчатыми муфтами, или с цепными муфтами, или с полужесткими дисковыми муфтами, или с гофрированными муфтами, причем карданный вал может быть выполнен полым для размещения внутри него элементов конструкции.

Во втором варианте механизм снабжен шестернями внешнего зацепления с диаметрами делительных окружностей, равными удвоенному смещению осей кривошипных шеек относительно оси коленчатого вала, установленными на каждом коленчатом валу между торцем со стороны выходного вала и кривошипными шейками, и шестернями внутреннего зацепления, неподвижно установленными в корпусе по оси механизма в зацеплении с шестернями внешнего зацепления в количестве коленчатых валов, с диаметрами делительных окружностей, равными двум диаметрам делительных окружностей шестерен внешнего зацепления, при этом каждый из коленчатых валов выполнен с, по меньшей мере, двумя кривошипными шейками, и применена шарнирная муфта первого типа, согласно описанию предыдущего варианта механизма.

В третьем варианте, так же как во втором, коленчатые валы содержат шестерни внешнего зацепления и в корпусе установлены шестерни внутреннего зацепления, но шестерни внешнего зацепления установлены с любой из сторон от кривошипных шеек, и на коленчатых валах со стороны шестерен внешнего зацепления и соосно им установлены с возможностью вращения кривошипные опоры посредством встроенных подшипников, оси вращения которых смещены относительно осей подшипников кривошипных опор, установленных в корпусе по оси механизма, на величину смещения кривошипных шеек относительно осей коленчатых валов, а шарнирные муфты могут быть применены любого из трех типов, описанных в первом варианте механизма.

В четвертом варианте механизм выполнен содержащим, по крайней мере, три коленчатых вала, каждый из которых выполнен полым с размещенными в его полости радиальными подшипниками и, по крайней мере, с двумя кривошипными шейками, выполненными в виде эксцентриков, причем внутри каждого из коленчатых валов на радиальных подшипниках установлены внутренние валы, собранные между собой посредством щек в кривошипный вал, щеки которого могут быть размещены внутри шарнирных муфт, соединяющих коленчатые валы, при этом шарнирные муфты могут быть применены любого из трех типов, описанных в первом варианте механиизма.

В пятом варианте механизм выполнен содержащим два коленчатых вала, каждый из которых выполнен полым с размещенными в его полости радиальными подшипниками и, по крайней мере, с двумя кривошипными шейками, выполненными в виде эксцентриков, причем внутри каждого из коленчатых валов на радиальных подшипниках установлены внутренние валы, собранные между собой посредством щек в кривошипный вал, щеки которого могут быть размещены внутри шарнирных муфт, соединяющих коленчатые валы, и, по меньшей мере, на одном из торцев кривошипного вала установлена щека, соединенная с корпусом посредством опоры, расположенной по оси механизма, при этом опоры могут быть применены трех типов.

Первый тип опоры выполнен в виде радиального подшипника, одна из обойм которого неподвижно установлена на щеке, а другая неподвижно закреплена на корпусе.

Второй тип опоры выполнен в виде корпуса опоры с внутренним пазом и двухсторонней пяты, установленной в упомянутом пазе посредством опорных поверхностей, параллельных плоскости оси механизма и оси внутреннего вала, соединенного со щекой, при этом одна из составляющих опоры неподвижно установлена на щеке, а другая вращательным образом соединена с корпусом.

Третий тип опоры выполнен в виде втулки и, установленной в ней посредством поверхности скольжения, опорной цапфы, одна из которых выполнена с поверхностью скольжения, выполненной с частичным углом охвата с обеих сторон плоскости оси механизма и оси внутреннего вала, соединенного со щекой, и неподвижно установлена на щеке, а другая с цилиндрической поверхностью скольжения соединена с корпусом неподвижно или с возможностью вращения относительно собственной оси.

Шарнирные муфты могут быть применены любого из трех типов, описанных в первом варианте механизма.

Шестой вариант механизма выполнен с одним коленчатым валом, выполненным полым с размещенными в его полости радиальными подшипниками и, по крайней мере, с двумя кривошипными шейками, выполненными в виде эксцентриков, причем внутри него на радиальных подшипниках установлен кривошипный вал, собранный из внутреннего вала со щеками с обеих сторон, каждая из которых оборудована опорой, при этом шарнирная муфта может быть применена только первого типа, согласно описанию первого варианта механизма, а опоры - любого из трех типов, описанных в пятом варианте механизма.

Седьмой вариант механизма выполнен с одним коленчатым валом, выполненным полым с размещенными в его полости радиальными подшипниками и, по крайней мере, с двумя кривошипными шейками, выполненными в виде эксцентриков, причем внутри него на радиальных подшипниках установлен кривошипный вал, собранный из внутреннего вала с двумя щеками, на одной из которых установлена цапфа-вал, опирающаяся свободным концом вращательным образом на корпус и размещенная по оси механизма, при этом, по крайней мере, одна из щек содержит опору. Опора может быть применена любого из трех типов, описанных в пятом варианте механизма, а шарнирные муфты могут быть применены любого из трех типов, описанных в первом варианте механизма.

На фиг.1 представлена схема гипоциклоидного механизма с одним коленчатым валом и шарнирной муфтой, состоящей из двух дисков с пальцами, соединенными тягами; на фиг.2 показана схема гипоциклоидного механизма, аналогичная показанной на фиг.1, но с двумя коленчатыми валами, и схема шарнирной муфты, состоящей из двух дисков, один из которых состоит из полумуфт; на фиг.3 представлена схема гипоциклоидного механизма с одним коленчатым валом и шарнирной муфтой, выполненной в виде карданного вала; на фиг.4 показана схема гипоциклоидного механизма, состоящего из двух коленчатых валов, каждый с двумя кривошипными шейками и шестеренной синхронизацией, соединенных шарнирными муфтами, состоящими из двух дисков с пальцами, соединенными тягами; на фиг. 5 показана схема гипоциклоидного механизма, состоящего из коленчатого вала с двумя кривошипными шейками и шестеренной синхронизацией, опирающегося на кривошипную опору, причем шарнирная муфта присоединена к коленчатому валу со стороны, противоположной кривошипной опоре; на фиг.6 показана схема гипоциклоидного механизма, аналогичная представленной на фиг.5, с той разницей, что шарнирная муфта выполнена в виде карданного вала и присоединена к коленчатому валу со стороны кривошипной опоры и шестерен синхронизации; на фиг. 7 представлена схема гипоциклоидного механизма, аналогичного показанным на фиг.5 и фиг.6, с двумя коленчатыми валами и шарнирными муфтами различных типов; на фиг.8 показана схема гипоциклоидного механизма с тремя коленчатыми валами, выполненными в виде полых эксцентриковых валов, соединенных шарнирными муфтами, внутри которых установлен кривошипный вал; на фиг.9 показана схема гипоциклоидного механизма, аналогичного представленному на фиг.8, но с двумя коленчатыми валами и кривошипным валом, дополнительно соединенным с корпусом через опоры; на фиг.10 представлена схема гипоциклоидного механизма, полый коленчатый вал которого с двумя кривошипными шейками в виде эксцентриков соединен с выходным валом шарнирной муфтой, выполненной в виде двух дисков с пальцами, соединенными тягами, причем установленный внутри коленчатого вала кривошипный вал соединен с корпусом посредством двух опор; на фиг. 11 показана схема гипоциклоидного механизма, полый коленчатый вал которого с двумя кривошипными шейками в виде эксцентриков соединен с выходным валом посредством карданного вала, причем установленный внутри коленчатого вала кривошипный вал соединен с корпусом посредством цапфы-вала и опоры, установленных на одной щеке; на фиг.12 показана схема гипоциклоидного механизма, аналогичного показанной на фиг.11 с той разницей, что карданный вал выполнен с синхронными муфтами, а цапфа-вал и опора установлены на разных щеках кривошипного вала, причем цапфа-вал вращательным образом оперта внутри выходного вала; на фиг.13 представлена компоновка гипоциклоидного двигателя с двухсторонним рабочим процессом в цилиндрах, выполненного по схеме, показанной на фиг.1; на фиг.14 представлена компоновка гипоциклоидного двигателя, выполненного по схеме, показанной на фиг.4, но с одним коленчатым валом; на фиг.15 показана опора с пятой, установленной в корпусе на подшипниках, а на фиг.16 показана опора с пятой, установленной вращательным образом на цапфе корпуса; на фиг.17 показана щека с цапфой-валом и опорой, причем корпус опоры вращательным образом установлен в корпусе; на фиг.18 показана опора, состоящая из втулки, установленной на щеке с поверхностью скольжения, выполненной с частичным углом охвата, и опорой цапфы, установленной на корпусе; на фиг.19 показана щека с цапфой-валом, на которой выполнены поверхности скольжения с частичным углом охвата, причем функции втулки с цилиндрической поверхностью скольжения выполняет корпус.

Гипоциклоидный механизм содержит корпус 1, размещенные в нем направляющие 2 с осями, перпендикулярными оси механизма и принадлежащими, по крайней мере, двум плоскостям, пересекающимся по оси механизма, в каждой из которых размещены с возможностью перемещения ползуновые опоры 3, по крайней мере, одна из которых снабжена поршнем 4, с установленными в них вращательным образом посредством кривошипных шеек 5 коленчатых валов 6, размещенных последовательно вдоль оси механизма " таким образом, что их оси парраллельно взаимно смещены поворотом относительно оси механизма, причем оси кривошипных шеек 5 параллельны осям коленчатых валов 6 и равноудалены от них.

Механизм снабжен выходным валом 7, установленным в корпусе 1 с возможностью вращения по оси механизма с одной из сторон от коленчатых валов 6, и шарнирными муфтами 8 в количестве коленчатых валов 6, соединяющими соответственно противостоящие смещенные торец выходного вала 7 с торцем коленчатого вала 6 и противостоящие смещенные торцы коленчатых валов 6, при этом возможны несколько вариантов механизма.

В первом варианте каждый из коленчатых валов 6 выполнен содержащим, по крайней мере, четыре кривошипных шейки 5 (фиг.1, фиг.2, фиг.3 и фиг.13), а шарнирные муфты 8 могут быть применены трех различных типов.

Шарнирная муфта 8 первого типа (фиг.1, фиг.4, фиг.10, фиг.13 и фиг.14) выполнена в виде двух дисков 9 с одинаковым количеством пальцев 10 и одинаковыми диаметрами их расположения, установленных на торцах соединяемых валов, соосно их осям вращения пальцами 10 навстречу, при этом пальцы 10 обоих дисков 9 попарно шарнирно соединены посредством тяг 11 таким образом, что оси тяг 11 параллельны.

Шарнирная муфта 8 второго типа (фиг.2, фиг.3, фиг.7, фиг.8 и фиг.9) является развитием шарнирной муфты 8 первого типа и с целью компенсации радиальных перемещений при передаче крутящего момента один из дисков 9 выполнен в виде двух сцепленных полумуфт 12 с радиальным зазором, относительное осевое перемещение которых ограничено двумя упорными поверхностями 13, одна из которых не оснащена пальцами 10 и прикреплена к торцу вала.

Шарнирная муфта 8 третьего типа (фиг.3, фиг.6, фиг.7, фиг.11 и фиг.12) выполнена в виде компенсирующего осевые перемещения карданного вала 14 с шарнирами Гука или с синхронными муфтами, или с зубчатыми муфтами, или с цепными муфтами, или с полужесткими дисковыми муфтами, или с гофрированными муфтами, причем карданный вал 14 может быть выполнен полым для размещения внутри него элементов конструкции.

Во втором варианте (фиг.4 и фиг.14) механизм снабжен шестернями внешнего зацепления 15 с диаметрами делительных окружностей, равными удвоенному смещению осей кривошипных шеек 5 относительно оси коленчатого вала 6, установленными на каждом коленчатом валу 6 между торцем со стороны выходного вала 7 и кривошипными шейками 5, и шестернями внутреннего зацепления 16, неподвижно установленными в корпусе 1 по оси механизма в зацеплении с шестернями внешнего зацепления 15 в количестве коленчатых валов 6, с диаметрами делительных окружностей, равными двум диаметрам делительных окружностей шестерен внешнего зацепления 15, при этом каждый из коленчатых валов 6 выполнен с, по меньшей мере, двумя кривошипными шейками 5, при этом применена шарнирная муфта 8 первого типа, согласно описанию предыдущего варианта механизма.

В третьем варианте (фиг. 5, фиг.6 и фиг.7), так же как в предыдущем, коленчатые валы 6 содержат шестерни внешнего зацепления 15 и в корпусе 1 установлены шестерни внутреннего зацепления 16, но шестерни внешнего зацепления 15 установлены с любой из сторон от кривошипных шеек 5, и на коленчатых валах 6 со стороны шестерен внешнего зацепления 15 и соосно им установлены с возможностью вращения кривошипные опоры 17 посредством встроенных подшипников 18, оси вращения которых смещены относительно осей подшипников кривошипных опор 19, установленных в корпусе 1 по оси механизма, на величину смещения кривошипных шеек 5 относительно осей коленчатых валов 6, а шарнирные муфты 8 могут быть применены любого из трех типов, описанных в первом варианте механизма.

В четвертом варианте (фиг.8) механизм выполнен содержащим, по крайней мере, три коленчатых вала 6, каждый из которых выполнен полым, с размещенными в его полости радиальными подшипниками 20 и, по крайней мере, с двумя кривошипными шейками 5, выполненными в виде эксцентриков, причем внутри каждого из коленчатых валов 6 на радиальных подшипниках 20 установлены внуутренние валы 21, собранные между собой посредством щек 22 в кривошипный вал 23, щеки 22 которого могут быть размещены внутри шарнирных муфт 8, соединяющих коленчатые валы 6, при этом шарнирные муфты 8 могут быть применены любого из трех типов, описанных в первом варианте механизма.

В пятом варианте (фиг. 9) механизм выполнен содержащим два коленчатых вала 6, каждый из которых выполнен полым с размещенными в его полости радиальными подшипниками 20 и, по крайней мере, с двумя кривошипными шейками 5, выполненными в виде эксцентриков, причем внутри каждого из коленчатых валов 6 на радиальных подшипниках 20 установлены внутренние валы 21, собранные между собой посредством щек 22 в кривошипный вал 23, щеки 22 которого могут быть размещены внутри шарнирных муфт 8, соединяющих коленчатые валы 6, и, по меньшей мере, на одном из торцев кривошипного вала 23 установлена щека 22, соединенная с корпусом 1 посредством опоры 24, расположенной по оси механизма, при этом опоры 24 могут быть применены трех типов.

Первый тип опоры 24 выполнен в виде радиального подшипника, одна из обойм которого неподвижно установлена на щеке 22, а другая неподвижно закреплена на корпусе 1.

Второй тип опоры 24 (фиг.15, фиг.16 и фиг.17) выполнен в виде корпуса опоры 26 с внутренним пазом и двухсторонней пяты 27, установленной в упомянутом пазе посредством опорных поверхностей, параллельных плоскости оси механизма и оси внутреннего вала 21, соединенного со щекой 22, при этом одна из составляющих опоры неподвижно установлена на щеке 22, а другая вращательным образом соединена с корпусом 1.

Третий тип опоры 24 (фиг.18 и фиг.19) выполнен в виде втулки 28 и установленной в ней посредством поверхности скольжения опорной цапфы 29, одна из которых выполнена с поверхностью скольжения, выполненной с частичным углом охвата с обеих сторон плоскости оси механизма и оси внутреннего вала 21, соединенного со щекой 22, и неподвижно установлена на щеке 22, а другая с цилиндрической поверхностью скольжения соединена с корпусом 1 неподвижно или с возможностью вращения относительно собственной оси.

Шарнирные муфты в пятом варианте могут быть применены любого из трех типов, описанных в первом варианте механизма.

Шестой вариант механизма (фиг.11 и фиг.12) выполнен с одним коленчатым валом 6, выполненным полым с размещенными в его полости радиальными подшипниками 20 и, по крайней мере, с двумя кривошипными шейками 5, выполненными в виде эксцентриков, причем внутри него на радиальных подшипниках 20 установлен кривошипный вал 23, собранный из внутреннего вала 21 со щеками 22 с обеих сторон, каждая из которых оборудована опоорой 24, при этом шарнирная муфта 8 может быть применена только первого типа, согласно описанию первого варианта механизма, а опоры 24 любого из трех типов, описанных в пятом варианте механизма.

Седьмой вариант механизма выполнен с одним коленчатым валом 6, выполненным полым с размещенными в его полости радиальными подшипниками 20 и, по крайней мере, с двумя кривошипными шейками 5, выполненными в виде эксцентриков, причем внутри него на радиальных подшипниках 20 установлен кривошипный вал 23, собранный из внутреннего вала 21 с двумя щеками 22, на одной из которых установлена цапфа-вал 25, опирающаяся свободным концом вращательным образом на корпус 1, и размещенная по оси механизма, при этом, по крайней мере, одна из щек 22 содержит опору 24, причем опора 24 может быть применена трех типов, аналогично пятому варианту выполнения механизма, а шарнирные муфты 8 могут быть применены любого из трех типов, описанных в первом варианте механизма.

Гипоциклоидный механизм работает следующим образом. Поступательное движение поршней 4 в корпусе 1 вызывает перемещение ползуновых опор 3 по направляющим 2, закрепленным на корпусе 1, а с ними и кривошипных шеек 5 коленчатых валов 6, что приводит к вращению коленчатых валов 6 вокруг собственных осей и одновременно орбитальному вращению их осей в противоположном направлении вокруг оси механизма. Синхронизация вращения коленчатых валов 6, передача крутящих моментов между торцами коленчатых валов 6 и от торца коленчатого вала 6 к торцу выходного вала 7 осуществляется посредством шарнирных муфт 8, при этом возможные несколько вариантов механизма имеют особенности в процессе работы.

В первом варианте механизма коленчатые валы 6, опираются на корпус 1, по крайней мере, через четыре скользящих по направляющим 2 ползуновых опоры 3, что обеспечивает достаточные условия для орбитального движения коленчатых валов 6 вокруг оси механизма.

При использовании шарнирных муфт 8 первого типа синхронизация и передача крутящих моментов осуществляется посредством тяг 11, которые передают усилия от пальцев 10 одного из дисков 9 к пальцам 10 другого, совершая вращательное движение вокруг обоих пальцев 10, при этом шарнирные муфты 8 такого типа кроме крутящих моментов передают между соединяемыми валами радиальные усилия в направлении осей тяг 11.

При использовании шарнирных муфт 8 второго типа их работа осуществляется аналогично шарнирным муфтам 8 первого типа, но передача крутящих моментов через диски 9, выполненные в виде двух полумуфт 12, осуществляется через их зацепления с радиальными зазорами, что позволяет, при правильном выборе величин зазоров, практически исключить передачу радиальных усилий между соединяемыми валами, при этом упорные поверхности 13 ограничивают осевое перемещение и удерживают в плоскостях дисков 9 полумуфты 12, оснащенные пальцами 10.

При использовании шарнирных муфт 8 третьего типа синхронизация и передача крутящих моментов осуществляется посредством карданных валов 14, компенсирующих осевые перемещения, возникающие за счет изменяющихся зазоров в кинематических парах в процессе работы механизма.

Во втором варианте механизма вращение коленчатых валов 6 вокруг собственных осей приводит к обкатыванию шестерен внешнего зацепления 15 в шестернях внутреннего зацепления 16, а примененные шарнирные муфты 8 первого типа, работа которых описана в предыдущем варианте механизма, обеспечивают орбитальное движение торцев коленчатых валов 6, снабженных дисками 9, вокруг оси механизма, что создает достаточные условия для орбитального движения коленчатых валов 6 вокруг оси механизма.

В третьем варианте механизма, аналогично предыдущему варианту, в результате вращения коленчатых валов 6 вокруг собственных осей происходит обкатывание шестерен внешнего зацепления 15 в шестернях внутреннего зацепления 16, но вращение осей коленчатых валов 6 вокруг оси механизма обеспечивают кривошипные опоры 17, которые через подшипники 18 приводятся коленчатым валом 6 во вращение в корпусе 1 на подшипниках кривошипных опор 19, что создает достаточные условия для орбитального движения коленчатых валов 6 вокруг оси механизма. Синхронизация и передача крутящих моментов осуществляется шарнирными муфтами 8 любого из трех типов, работа которых описана в первом варианте.

В четвертом варианте механизма вращение коленчатых валов 6 вокруг оси механизма приводит во вращение кривошипный вал 23, внутренние валы 21 которого вращаются внутри коленчатых валов 6 на радиальных подшипниках 20 и обеспечивают в процессе вращения параллельность осей коленчатых валов 6 оси механизма, при этом синхронизация и передача крутящих моментов осуществляется шарнирными муфтами 8 любого из трех типов, работа которых описана в первом варианте механизма.

В пятом варианте механизма вращение коленчатых валов 6 вокруг оси механизма приводит во вращение кривошипный вал 23, который опирается внутренними валами 21 на два коленчатых вала 6 и через опору 24 на корпус 1. Внутренние валы 21 кривошипного вала 23 вращаются внутри коленчатых валов 6 на радиальных подшипниках 20 и обеспечивают в процессе вращения параллельность осей коленчатых валов 6 оси механизма.

При использовании первого типа опоры 24 усилия с кривошипного вала 23, совершающего вращательное движение, передаются через радиальный подшипник на корпус 1.

При применении второго типа опоры 24 с корпусом опоры 26, установленным на щеке 22, вращение и усилия с кривошипного вала 23 передаются через опорные поверхности на двухстороннюю пяту 27, вращательным образом закрепленную на корпусе 1, причем усилия передаются только в направлении, перпендикулярном опорным поверхностям. Если пята 27 закреплена неподвижно на щеке 22, то вращение и усилия с кривошипного вала 23, через опорные поверхности, передаются на корпус опоры 26, который вращательным образом установлен в корпусе 1.

При применении третьего типа опоры 24 с втулкой 28, установленной неподвижно на щеке 22, усилия с кривошипного вала 23 передаются через повверхности скольжения, выполненные на втулке 28 с частичным углом охвата с обеих сторон, преимущественно в направлении, перпендикулярном плоскости оси механизма и оси внутреннего вала 21, на опорную цапфу 29 с цилиндрической поверхностью скольжения, которая установлена на корпусе 1. В случае закрепления на щеке 22 опорной цапфы 29 усилия через поверхности скольжения, выполненные с частичным углом охвата на опорной цапфе 29, передаются на втулку 28, установленную на корпусе 1, поверхность скольжения которой цилиндрическая.

Синхронизация и передача крутящих моментов осуществляется шарнирными муфтами 8 любого из трех типов, работа которых описана в первом варианте механизма.

В шестом варианте механизма коленчатый вал 6 опирается на корпус 1 через две, скользящих по направляющим 2, ползуновых опоры 3, при этом шарнирная муфта 8 первого типа, работа которой описана в первом варианте механизма, помимо передачи крутящего момента с коленчатого вала 6 к выходному валу 7, обеспечивает орбитальное движение торца коленчатого вала 6, снабженного диском 9, а кривошипный вал 23, опирающийся на корпус 1 посредством опор 24, установленных на щеках 22, через радиальные подшипники 20 удерживает ось коленчатого вала 6 в процессе вращения в одной плоскости с осью механизма. Опоры 24 могут быть применены трех различных типов, работа которых описана в пятом варианте механизма.

В седьмом варианте механизма кривошипный вал 23 опирается внутренним валом 21, через радиальные подшипники 20, на вращающийся коленчатый вал 6, а свободным концом цапфы-вала 25 и опорой 24, установленной на одной из щек 22, на корпус 1, что обеспечивает в процессе вращения параллельность внутреннего вала 21, а с ним и оси коленчатого вала 6, оси механизма. Шарнирные муфты 8 могут быть применены любого из трех типов, работа которых описана в первом варианте механизма, а опоры 24 могут быть применены трех различных типов, работа которых описана в пятом варианте механизма.

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

Конструктивная проработка двигателей внутреннего сгорания из мощностного ряда от 100 до 400 лошадиных сил (фиг. 13) показала, что наиболее рационально применение гипоциклоидного механизма, выполненного по схеме, показанной на фиг.1, с одним коленчатым валом, содержащим четыре кривошипных шейки, и шарнирной муфтой, соединяющей коленчатый вал с выходным валом, выполненной в виде двух дисков с пальцами, попарно соединенными тягами, при этом, с целью компенсации радиальных перемещений при передаче крутящего момента, один из дисков выполнен в виде двух сцепленных полумуфт.

Описанный гипоциклоидный механизм целесообразно оснастить четырьмя клинообразно расположенными цилиндрами с углом между ними 90 градусов, по два в каждом ряду, причем каждый цилиндр с двухсторонним от поршня рабочим процессом, что обеспечит высокую эффективность механизма.

Конструктивная проработка двигателей внутреннего сгорания мощностью до 100 лошадиных сил (фиг. 14) показала, что наиболее рационально применение гипоциклоидного механизма, выполненного по схеме, изображенной на фиг.4, но с одним коленчатым валом, снабженным двумя кривошипными шейками и шестерней внешнего зацепления, которая зацеплена с шестерней внутреннего зацепления, неподвижно установленной в корпусе по оси механизма, при этом коленчатый вал соединен с выходным валом шарнирной муфтой, состоящей из двух дисков с пальцами, соединенными тягами.

Описанный механизм двигателя целесообразно оснастить четырьмя крестообразно расположенными цилиндрами.

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.

Конструктивно двигатели с гипоциклоидным механизмом не сложнее кривошипно-шатунных, находящихся на сегодняшний день в массовом производстве, что обеспечит экономическую эффективность их производства и применения.

Источники информации:
1. Баландин С. С. "Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания".: Машиностроение, 1972. -С.14, Рис. 11(6).

2. Баландин С. С. "Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания".: Машиностроение, 1972. -С.14, Рис.11(а); С.89, Рис.89 (прототип).

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное в двигателях внутреннего сгорания, компрессорах и т.д. Поступательное движение поршней 4 в корпусе 1 вызывает перемещение ползуновых опор 3 по направляющим 2, закрепленным на корпусе 1, а с ними и кривошипных шеек 5 коленчатых валов 6, что приводит к вращению коленчатых валов 6 вокруг собственных осей и одновременно орбитальному вращению их осей в противоположном направлении вокруг оси механизма. Синхронизация вращения коленчатых валов 6, передача крутящих моментов между коленчатыми валами 6 и к выходному валу 7 осуществляется посредством шарнирных муфт 8, в которых вращение через тяги 11 передается от пальцев 10 одного из дисков 9 к пальцам 10 другого, что приводит к вращению выходного вала 7. Технический эффект от использования изобретения заключается в повышении КПД механизма, уменьшении веса, повышении надежности и уменьшении стоимости изготовления конструкции путем уменьшения в механизме количества подвижных силовых кинематических связей и кинематических звеньев. 13 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Гипоциклоидный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, содержащий корпус, размещенные в нем направляющие с осями, перпендикулярными оси механизма и принадлежащими по крайней мере двум плоскостям, пересекающимся по оси механизма, в каждой из которых размещены с возможностью перемещения ползуновые опоры, по крайней мере одна из которых снабжена поршнем, с установленными в них вращательным образом посредством кривошипных шеек коленчатыми валами, размещенными последовательно вдоль оси механизма таким образом, что их оси параллельно взаимно смещены поворотом относительно оси механизма, причем оси кривошипных шеек параллельны осям коленчатых валов и равноудалены от них, отличающийся тем, что механизм снабжен выходным валом, установленным в корпусе с возможностью вращения по оси механизма с одной из сторон от коленчатых валов, и шарнирными муфтами в количестве коленчатых валов, соединяющими соответственно противостоящие смещенные торец выходного вала с торцом коленчатого вала и противостоящие смещенные торцы коленчатых валов. 2. Гипоциклоидный механизм по п.1, отличающийся тем, что каждый из коленчатых валоа выполнен содержащим по крайней мере четыре кривошипных шейки. 3. Гипоциклоидный механизм по п.1, отличающийся тем, что он снабжен шестернями внешнего зацепления с диаметрами делительных окружностей, равными удвоенному смещению осей кривошипных шеек относительно оси коленчатого вала, установленными на каждом коленчатом валу между торцом со стороны выходного вала и кривошипными шейками, и шестернями внутреннего зацепления, неподвижно установленными в корпусе по оси механизма в зацеплении с шестернями внешнего зацепления в количестве коленчатых валов, с диаметрами делительных окружностей, равными двум диаметрам делительных окружностей шестерен внешнего зацепления, при этом каждый из коленчатых валов выполнен с по меньшей мере двумя кривошипными шейками. 4. Гипоциклоидный механизм по п.3, отличающийся тем, что шестерни внешнего зацепления установлены с любой из сторон от кривошипных шеек и на коленчатых валах со стороны шестерен внешнего зацепления и соосно им установлены с возможностью вращения кривошипные опоры посредством встроенных подшипников, оси вращения которых смещены относительно осей подшипников кривошипных опор, установленных в корпусе по оси механизма, на величину смещения кривошипных шеек относительно осей коленчатых валов. 5. Гипоциклоидный механизм по п.1, отличающийся тем, что он выполнен содержащим по крайней мере три коленчатых вала, каждый из которых выполнен полым с размещенными в его полости радиальными подшипниками и по крайней мере с двумя кривошипными шейками, выполненными в виде эксцентриков, причем внутри каждого из коленчатых валов на радиальных подшипниках установлены внутренние валы, собранные между собой посредством щек в кривошипный вал, щеки которого могут быть размещены внутри шарнирных муфт, соединяющих коленчатые валы. 6. Гипоциклоидный механизм по п.1, отличающийся тем, что он выполнен содержащим два коленчатых вала, каждый из которых выполнен полым с размещенными в его полости радиальными подшипниками и по крайней мере с двумя кривошипными шейками, выполненными в виде эксцентриков, причем внутри каждого из коленчатых валов на радиальных подшипниках установлены внутренние валы, собранные между собой посредством щек в кривошипный вал, щеки которого могут быть размещены внутри шарнирных муфт, соединяющих коленчатые валы и по меньшей мере на одном из торцов кривошипного вала установлена щека, соединенная с корпусом посредством опоры, расположенной по оси механизма. 7. Гипоциклоидный механизм по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с одним коленчатым валом, выполненным полым с размещенными в его полости радиальными подшипниками и по крайней мере с двумя кривошипными шейками, выполненными в виде эксцентриков, причем внутри него на радиальных подшипниках установлен кривошипный вал, собранный из внутреннего вала со щеками с обеих сторон, каждая из которых оборудована опорой. 8. Гипоциклоидный механизм по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с одним коленчатым валом, выполненным полым с размещенными в его полости радиальными подшипниками и по крайней мере с двумя кривошипными шейками, выполненными в виде эксцентриков, причем внутри него на радиальных подшипниках установлен кривошипный вал, собранный из внутреннего вала с двумя щеками, на одной из которых установлена цапфа-вал, опирающаяся свободным концом вращательным образом на корпус и размещенная по оси механизма, при этом по крайней мере одна из щек содержит опору. 9. Гипоциклоидный механизм по любому из пп.1 - 8, отличающийся тем, что шарнирная муфта выполнена в виде двух дисков с одинаковым количеством пальцев и одинаковыми диаметрами их расположения, установленных на торцах соединяемых валов, соосно их осям вращения пальцами навстречу, при этом пальцы обоих дисков попарно шарнирно соединены посредством тяг таким образом, что оси тяг параллельны. 10. Гипоциклоидный механизм по п.9 и любому из пп.2, 4, 5, 6 и 8, отличающийся тем, что один из дисков выполнен в виде двух сцепленных с зазором полумуфт, относительное осевое перемещение которых ограничено двумя упорными поверхностями и одна из которых не оснащена пальцами и прикреплена к торцу вала. 11. Гипоциклоидный механизм по любому из пп.1, 2, 4, 5, 6 и 8, отличающийся тем, что шарнирная муфта выполнена в виде компенсирующего осевые перемещения карданного вала с шарнирами Гука, или с синхронными муфтами, или с зубчатыми муфтами, или с цепными муфтами, или с полужесткими дисковыми муфтами, или с гофрированными муфтами, причем карданный вал может быть выполнен полым для размещения внутри него элементов конструкции. 12. Гипоциклоидный механизм по любому из пп.6 - 8, отличающийся тем, что опора выполнена в виде радиального подшипника, одна из обойм которого неподвижно установлена на щеке, а другая неподвижно закреплена на корпусе. 13. Гипоциклоидный механизм по любому из пп.6 - 8, отличающийся тем, что опора выполнена в виде корпуса опоры с внутренним пазом и двухсторонней пяты, установленной в упомянутом пазе посредством опорных поверхностей, параллельных плоскости оси механизма и оси внутреннего вала, соединенного со щекой, при этом одна из составляющих опоры неподвижно установлена на щеке, а другая вращательным образом соединена с корпусом. 14. Гипоциклоидный механизм по любому из пп.6 - 8, отличающийся тем, что опора выполнена в виде втулки и установленной в ней посредством поверхности скольжения опорной цапфы, одна из которых выполнена с поверхностью скольжения, выполненной с частичным углом охвата с обеих сторон плоскости оси механизма и оси внутреннего вала, соединенного со щекой, и неподвижно установлена на щеке, а другая с цилиндрической поверхностью скольжения соединена с корпусом неподвижно или с возможностью вращения относительно собственной оси.