БЕСШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ Российский патент 2005 года по МПК F01B9/02 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях двигателей внутреннего сгорания и компрессоров, а также во всех механизмах преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение и наоборот.

Известен бесшатунный механизм, содержащий два кривошипа, на которые жестко насажены вращающиеся шестерни с радиусом начальной окружности, равным одной четверти хода поршней, и взаимодействующие с неподвижными шестернями внутреннего зацепления с радиусом начальной окружности, равным половине хода поршней, а также опору с установленным в ней дополнительным коленом, шарнирно связывающим вращающиеся шестерни между собой, с возможностью перемещения последних в противофазе (а.с. SU №1525283, Мкл.⁴ F 01 В 9/02, бюл. №44, 1989 г.).

Известен также бесшатунный механизм, выполненный в виде двух шестерен, каждая из которых закреплена на противоположных сторонах коленчатого вала и взаимодействующих с неподвижно закрепленными в корпусе шестернями внутреннего зацепления, причем коленчатый вал имеет опорные шейки и размещен между двумя кривошипами, кроме того, вал соединен посредством штоковых шеек со штоками, связанными с поршнями (С.С.Баландин. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1972 г., стр.14, рис.11(б)).

Однако создание многоцилиндровых короткоходовых двигателей большой мощности по вышеприведенным техническим решениям вызывают большие сложности, так как диаметры штоковых и опорных цапф коленчатого вала, при нагруженности его полным крутящим моментом, получаются по условиям прочности намного больше, чем начальная окружность соединяющихся с ними шестерен 8 и 10 (рис.11)б) и 12), ограниченная величиной r, равной одной четверти хода поршней (С.С. Баландин. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1972 г., стр.16).

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является синхронный бесшатунный механизм, содержащий два кривошипа, две вращающиеся шестерни с радиусом начальной окружности, равным одной четвертой части хода поршней, установленные с возможностью взаимодействия с неподвижными шестернями внутреннего зацепления, имеющим радиус начальной окружности, равным половине хода поршней, промежуточный коленчатый вал, вращающиеся шестерни жестко установлены на промежуточном валу, при этом вал выполнен с одним коленом, связанным с двумя поршневыми штоками, кроме того, промежуточный вал может быть выполнен с тремя коленами, расположенными в одной плоскости, при этом два крайних колена направлены в одну сторону и связаны с поршневыми штоками, а среднее колено снабжено дополнительной опорой в виде эксцентриковой втулки (п.м. №25536, МКП 7 F 01 В 9/02, бюл. №28, 2002 г.).

Недостатком известных технических решений является небольшая мощность, передаваемая бесшатунными механизмами с зубчатым зацеплением, так как наиболее слабым звеном в таких механизмах являются подвижные шестерни, что наиболее найдет выражение в синхронном бесшатунном механизме при одномоментном воздействии на промежуточный коленчатый вал нагрузки от двух поршневых штоков.

Была поставлена задача создать надежный бесшатунный механизм с зацеплением, у которого прочностные характеристики соответствовали прочностным размерам диаметров штоковых и опорных цапф промежуточного коленчатого вала.

Поставленная задача решается за счет того, что механизм содержит шарнирно соединенные опорный и поводковый кривошипы с радиусами вращения, равными одной четвертой части хода поршня, при этом на поводковом кривошипе располагаются не менее двух зубьев, профилируемых по контуру в зависимости от передаваемой мощности и относительной скорости движения, а следовательно, от возникающих контактных напряжений на их поверхностях и изгибном напряжении в опасном сечении зуба, а именно профиль окружности - цилиндрические зубья, профиль эллипса - эллипсоидные или профилируемые по дугам окружности - дугообразными, соединенные между собой и поводковым кривошипом в одно жесткое звено и находящихся в зубчатом зацеплении с неподвижной шестерней внутреннего зацепления, имеющей радиус начальной окружности - центроиды, равный половине хода поршней.

Вне зависимости от профилей зубьев их количество должно быть не менее двух и располагаемых с одинаковым шагом на начальной окружности - центроиды с paдиуcoм также равным одной четвертой части хода поршня. Диаметры цилиндрических зубьев, как и профили, и размеры других вышеприведенных зубьев на одном и том же поводковом кривошипе могут быть разными по величине и профилю. Число впадин - направляющих неподвижной шестерни и их профиль, и взаимное расположение определяется количеством, формой и размерами установленных зубьев на поводковом кривошипе.

На поводковом кривошипе последовательно за одним из зубьев вне плоскости внутренней шестерни располагается штоковая шейка, шарнирно соединенная, как минимум, с одним поршневым штоком.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где: на фиг.1 представлена схема бесшатунного механизма с двузубой шестерней и цилиндрическим профилем зубьев на двух проекциях, на фиг.2 схемы сопряжения зубьев двузубой и трезубой шестерен с цилиндрическими профилями зубьев, на фиг.3 вариант схемы механизма с двузубой шестерней с эллипсоидным профилем зубьев и на фиг.4 вариант схемы механизма с двузубой шестерней и зубьями, профилируемыми по дугам окружности.

Бесшатунный механизм (фиг.1) содержит шарнирно соединенные опорный кривошип 1 и поводковый кривошип 2 с радиусом вращения, равным одной четвертой части хода поршня. На поводковом кривошипе симметрично продольной оси установлены жестко взаимосвязанные между собой и поводковым кривошипом, как минимум, два цилиндрические по форме зуба 3, 4, оси которых точки А и В, или три цилиндрических зуба с осями A, B, D (фиг.2б), расположенные с равным шагом на начальной окружности - центроиды Ц₁ с центром С, имеющей радиус, также равный одной четвертой части хода поршня. Как цилиндрические зубья, так и зубья с другими профилями между собой могут иметь радиус сопряжения r₁ (фиг.2а и б), при этом они установлены с возможностью взаимодействия с впадинами 5, 6 неподвижной шестерни внутреннего зацепления 7 (фиг.1), имеющей радиус начальной окружности - второй центроиды Ц₂, равный половине хода поршней, т.е. находящиеся в постоянном зубчатом зацеплении с неподвижной внутренней шестерней.

На фиг.3, 4 представлены аналогичные бесшатунные механизмы с вариантами профилей зубьев - эллипсоидными и дугообразными.

Для обеспечения работоспособности бесшатунного механизма достаточно двух сопрягаемых между собой профилируемых зубьев, жестко связанных с поводковым кривошипом и с центрами, располагаемыми с равным шагом на начальной окружности, одновременно являющейся подвижной центроидой, но представленная схема позволяет создание бесшатунных механизмов с тремя и более профилируемьми по контуру зубьями, в том числе, с эллипсоидными и дугообразными, жестко связанными между собой и поводковым кривошипом, оси которых также располагаются на начальной окружности.

Направляющие (впадины) внутренней шестерни для всех цилиндрических зубьев в предлагаемом механизме всегда прямолинейны и параллельны, а для двух зубьев пересекаются под прямым углом. Профили впадин неподвижной шестерни для других профилей зубьев определяется количеством зубьев, формой, размерами и их взаиморасположением на начальной окружности поводкового кривошипа, в частности для эллипсоидных профилей зубьев (фиг.3), впадины представляют собой более сложные вогнутые кривые, а для зубьев, профилируемых радиусом r_а (фиг.4), по дугам окружности с разными центрами, направляющие прямолинейны и имеют угол наклона β относительно осей движения зубьев, т.е. взаимонаклонны.

С целью обеспечения работоспособности механизма и достижения постоянства нахождения одного из зубьев в направляющей, в частности для двузубой шестерни диаметр цилиндрического зуба определяется по формулам d_z<S sin45° или d_z<S cos45°, где S - величина хода поршня (фиг.2). Причем диаметры зубьев и их профили на одном и том же поводковом приводе могут быть различны, однако, для любого количества зубьев и их профилей точка пересечения сопрягаемых сторон двух направляющих Z находится на окружности, имеющей радиус r_в меньший половины хода поршней (фиг.1).

На одной из шеек поводкового кривошипа последовательно за цилиндрическим зубом располагается штоковая шейка, шарнирно соединенная, как минимум, с одним поршневым штоком 8.

Бесшатунный механизм с двузубой шестерней (фиг.1) работает следующим образом. Опорный кривошип 1, вращаясь против часовой стрелки относительно своей оси, осуществляет круговое движение с шарнирно связанным с ним поводковым кривошипом 2, который, вращаясь по часовой стрелке, обкатывает без скольжения центроиду Ц₁ с центром С и расположенными на ней цилиндрическими зубьями 3 и 4 по внутренней центроиде Ц₂ неподвижной шестерни 7, что обеспечивает прямолинейное возвратно-поступательное движение зубьев 3 и 4 по прямолинейным сторонам впадин. Траектория движения, в частности, двух сопрягаемых цилиндрических зубьев образует прямолинейные впадины - направляющие на неподвижной шестерне и обеспечивает перемещение одного из них по вертикальной направляющей 5, а второго зуба 4 по горизонтальной направляющей 6, жестко закрепленной шестерни 7. Расположенная вне неподвижной шестерни, последовательно за одним из цилиндрических зубьев и являясь принадлежностью поводкового кривошипа 2, штоковая шейка совершает возвратно-поступательные перемещения совместно со штоком 8 и связанным с ним поршнем (на схеме не показан).

Описание работоспособности бесшатунных механизмов для других вариантов профилей зубьев (фиг.3, 4) аналогично описанию работоспособности механизма с цилиндрическими зубьями, однако, несмотря на более сложное построение профилей зубьев поводкового привода и построение кривых впадин неподвижной шестерни внутреннего зацепления, контактная прочность вышеприведенных зубьев выше, так как происходит соприкосновение выпуклых эллипсоидных и вогнутых профилей зубьев или зубьев с большим радиусом r_a (фиг.4) с наклонными направляющими. Использование возможностей на одном и том же поводковом приводе иметь зубья различные по диаметру и профилю в зависимости от воспринимаемой нагрузки позволяет создать бесшатунный механизм повышенной прочности с минимальными размерами и весовыми характеристиками.

Заявляемое техническое решение обеспечивает создание надежного бесшатунного механизма с зацеплением, у которого прочностные характеристики, как цилиндрических зубьев, так и зубьев эллипсоидных или профилируемых по дугам окружности, соответствуют прочностным диаметрам штоковых и опорных цапф.

Бесшатунный механизм найдет широкое применение в конструкциях двигателей внутреннего сгорания, компрессоров, в устройствах преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот.

Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости и возможно для реализации на стандартном технологическом оборудовании с использованием современных технологий.

Механизм может быть использован в двигателях внутреннего сгорания и компрессорах для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение и наоборот. Механизм содержит шарнирно соединенные опорный и поводковый кривошипы с радиусами вращения, равными одной четвертой части хода поршня. На поводковом кривошипе жестко установлены не менее двух зубьев, которые могут быть цилиндрическими, эллипсоидными или дугообразными. Параметры зубьев на одном поводковом кривошипе могут быть разными по величине и профилю. Для двузубой шестерни диаметр цилиндрических зубьев определяется по формулам d_z<S sin45° или d_z<S cos45°, где S - величина хода поршня. На оси одного из зубьев вне плоскости внутренней шестерни располагается штоковая шейка, шарнирно соединенная, как минимум, с одним поршневым штоком. Изобретение обеспечивает повышение надежности и прочности. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Бесшатунный механизм, содержащий шарнирно соединенные опорный и поводковый кривошипы с радиусами вращения, равными одной четвертой части хода поршня, и имеющий штоковую шейку, связанную, как минимум, с одним поршневым штоком, отличающийся тем, что на поводковом кривошипе установлено с равным шагом на начальной окружности с радиусом, равным одной четвертой части хода поршня, не менее двух профилируемых по контуру зубьев, а именно, цилиндрических зубьев или эллипсоидных или дугообразных, имеющих между собой радиус сопряжения, а также соединенных между собой и поводковым кривошипом в одно жесткое звено и находящихся в постоянном зубчатом зацеплении с неподвижной шестерней внутреннего зацепления с направляющими для движения зубьев, расположенными на начальной окружности, имеющей радиус, равный половине хода поршней, при этом точка пересечения двух сторон или профильных кривых сопрягаемых направляющих этой шестерни находится на внутренней окружности с радиусом, меньшим половины хода поршня, причем как диаметры цилиндрических зубьев, так размеры и профили других вышеприведенных зубьев на одном и том же поводковом кривошипе могут быть разными по величине и профилю, штоковая шейка также принадлежит поводковому кривошипу и находится на оси одного из зубьев и располагается вне плоскости неподвижной шестерни.2. Механизм по п.1, отличающийся тем, что диаметр цилиндрических зубьев для двузубой шестерни определяется по формулам d_z<S·sin45° или d_z<S·cos45°, где S - величина хода поршня.3. Механизм по п.1, отличающийся тем, что для цилиндрических зубьев направляющие внутренней шестерни прямолинейны и между собой параллельны.4. Механизм по п.1, отличающийся тем, что для зубьев, профилируемых дугами окружностей с разными центрами, направляющие внутренней шестерни прямолинейны и взаимонаклонны.5. Механизм по п.1, отличающийся тем, что для эллипсоидных зубьев направляющие внутренней шестерни криволинейны и имеют вогнутый профиль.