МЕХАНИЗМ ПРИВОДА ПОЛЗУНА Российский патент 2000 года по МПК F16H21/16 F01B9/02 F02B75/32 

Изобретение относится к механике и может быть использовано в конструкциях поршневых (автомобильных, судовых, тепловозных, авиационных) двигателей, насосов, компрессоров и других машин.

Характеристика аналогов изобретения.

Известен широко применяющийся в промышленности кривошипно-ползунный механизм, преобразующий вращение кривошипа в прямолинейное возвратно-поступательное движение ползуна.

Известный недостаток кривошипно-ползунного механизма - трение скольжения ползуна по направляющим (например, цилиндра о стенки в поршневом двигателе), уменьшающее ресурс и КПД машин и механизмов. "...потери на трение в системе "поршерь-втулка цилиндра" составляют примерно 60% от суммы всех механических потерь." (Д.Б. Танатар. "Дизели. Компоновка и расчет". Издательство "Морской транспорт". Ленинград. 1956. Стр. 87).

Известен "Двухвальный силовой шатунно-кривошипный механизм многоцилиндровых поршневых двигателей внутреннего сгорания" N 142484, автор В.П. Калабин (30.04.1960).

Известна "Система реверсивного преобразования вращательного движения в прямолинейное возвратно-поступательное движение", RU 2106553 C1, автор Роландо Поета (02.12.1991).

Известен "Кривошипно-кулисный механизм с двумя качающимися цилиндрами" (И. И. Артоболевский. "Механизмы в современной технике, том 2, Рычажные механизмы". Издательство "Наука", Главная редакция физико-математической литературы. Москва, 1971, стр. 389, фиг. 1409 КР ИМ).

Известен "Кривошипно-кулисный механизм с двумя качающимися цилиндрами" (И.И. Артоболевский "Механизмы в современной технике. том 2, Рычажные механизмы". Издательство "Наука", Главная редакция физико-математической литературы. Москва, 1971, стр. 390, фиг. 1411 КР ПМ).

Известен "Кривошипно-ползунный аксиальный механизм (И.И. Артоболевский. "Механизмы в современной технике. Том 2. Рычажные механизмы". Издательство "Наука", Главная редакция физико-математической литературы, Москва, 1971, стр. 444, фиг. 1477 КП Ч.).

Известен "Зубчато-рычажный точный направляющий механизм" (И.И. Артоболевский. "Механизмы в современной технике, том 3. Зубчатые механизмы". Издательство "Наука", Главная редакция физико-математической литературы. Москва, 1973, стр. 207, фиг. 208, ЗР НИ).

Общим недостатком этих механизмов является наличие двух коленчатых валов, нагрузки на каждый из которых от сил инерции звеньев больше, чем в кривошипно-ползунном механизме с одним коленчатым валом. Это ведет к значительному увеличению габаритов и веса конструкции механизма.

Характеристика прототипа
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является механизм привода ползуна крейцкопфного двигателя, применяющегося преимущественно в конструкциях судовых дизелей.

Механизм привода ползуна крейцкопфного двигателя содержит: кривошип и кнейцкопф, шатун, подвижно соединенный одним концом с кривошипом, а другим - с крейцкопфом, поршень (ползун) и шток поршня, подвижно соединенный одним концом с поршнем, а другим концом жестко соединенный с крейцкопфом, и параллели (направляющие), вдоль которых скользит крейцкопф.

"Основные преимущества компоновочной схемы с крейцкопфом определяются тем, что рабочий цилиндр разгружается от нормальных давлений; последние воспринимаются направляющим механизмом (фиг. 101), состоящим из крейцкопфа (поперечина ползуна) и направляющих крейцкопфа (параллелей). В крейцкопфном двигателе функцию направления поршня выполняет крейцкопф и параллель (или параллели), которые находятся в более благоприятных условиях работы: трущиеся поверхности ползунов крейцкопфа покрываются антифрикционным сплавом (баббитом), параллели охлаждаются, условия смазки и контроль за работой трущейся пары улучшены. В результате повышается надежность элементов движения двигателя и механический коэффициент полезного действия возрастает на 2 - 4%. Высота двигателя, из-за наличия промежуточного звена (крейцкопфа), увеличивается на 12 - 15%; пропорционально растет и его вес.

Разгрузка рабочего цилиндра от нормальных давлений имеет значение и с тепловой точки зрения, так как работа трения поршня, преобразуясь в тепло, дополнительно нагружает цилиндр".

(Д. Б. Танатар. "Дизели. Компоновка и расчет". Издательство "Морской транспорт". Ленинград, 1956, стр. 97).

Критика прототипа.

Введение крейцкопфа и направляющих параллелей в конструкцию кривошипно-ползунного механизма только частично уменьшает, но не устраняет известный недостаток схемы - трение скольжения ползуна (крейцкопфа) по направляющим, уменьшающее ресурс и КПД машин и механизмов.

Сущность изобретения.

Задачей изобретения является создание механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное с уменьшенными нагрузками на стенки цилиндра от боковых сил и уменьшенными силами трения.

Согласно изобретению, поставленная задача достигается тем, что в заявленном устройстве, содержащем кривошип и ползун с шатунами, механизм снабжен направляющими зубчатыми рейками и входящими в зацепление друг с другом зубчатыми колесами, имеющими возможность движения (качения) по указанным параллельным направляющим зубчатым рейкам и подвижно соединенными с шатунами кривошипа и ползуна соответственно.

Пример осуществимости изобретения.

Механизм привода ползуна состоит из кривошипа 1, ползуна 2, шатуна кривошипа 3, шатуна ползуна 4, зубчатых колес (пар зубчатых колес) 5 и 6, катящихся по зубчатым рейкам (парам зубчатых реек) 7 и 8 (см. чертеж).

Все указанные элементы предлагаемого устройства выпускаются промышленностью многих стран мира в огромных количествах и их производство не вызывает затруднений.

Устройство работает следующим образом.

Под действием расширяющегося рабочего тела поршень (ползун) 2 перемещается вниз и через шатун ползуна 4 передает это движение на правую пару зубчатых колес 6 (см. чертеж). Через левую пару зубчатых колес 5 это возвратно-поступательное движение передается на шатун кривошипа 3, другим концом шарнирно соединенного с кривошипом 1, который совершает вращательное движение вокруг оси коренного вала 9.

На концах шатунов кривошипа и ползуна могут быть установлены не только пара, но и по одному или даже по три входящих в зацепление друг с другом и с соответствующим количеством направляющих зубчатых реек зубчатых колеса. Однако следует полагать, что конструктивная схема с парами зубчатых колес 5 и 6 на концах шатуна ползуна 4 и шатуна кривошипа 3 (см. чертеж) более предпочтительна (компактна), поскольку позволяет шатуну кривошипа 3 совершать движение между левой парой направляющих зубчатых реек 7, чем обеспечивается уменьшение диаметра зубчатых колес 5 и 6, уменьшение длины шатуна кривошипа 3.

Применение заявленного механизма привода ползуна позволит:
- снизить потери на трение в механизмах преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное (или наоборот: возвратно-поступательного во вращательное) и тем самым увеличить коэффициент полезного действия (КПД) машин и механизмов, увеличить их ресурс за счет замены трения скольжения ползуна на трение качения зубчатых колес по направляющим зубчатым рейкам, которое во много раз меньше трения скольжения;
- уменьшить нагрузки на направляющие ползуна (стенки цилиндра), применить новые материалы (например, керамику, тефлон), применение которых сдерживается большими силами трения на стенках цилиндров, и тем самым увеличить ресурс и повысить параметры (давление и температуру рабочего тела, мощность) машин (двигателей внутреннего сгорания - ДВС, например) за счет восприятия боковых сил инерции звеньев не ползуном, а направляющими зубчатыми рейками.

Изобретение относится к механике и может быть использовано в конструкциях поршневых двигателей, насосов, компрессоров и других машин. Механизм состоит из кривошипа с шатуном и ползуна с шатуном. В механизм дополнительно введены направляющие зубчатые рейки. С шатунами связаны зубчатые колеса, входящие в зацепление друг с другом и имеющие возможность движения по указанным рейкам. Предлагаемый механизм привода ползуна позволяет заменить трение скольжения крейцкопфа по направляющим на трение качения зубчатых колес по направляющим зубчатым рейкам и разгрузить ползун от боковых сил инерции звеньев механизма. 1 ил.

Механизм привода ползуна, содержащий кривошип и ползун с шатунами соответственно, отличающийся тем, что он снабжен направляющими зубчатыми рейками и входящими в зацепление друг с другом зубчатыми колесами, имеющими возможность движения по указанным рейкам и подвижно соединенными с шатунами ползуна и кривошипа соответственно.