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, М.кл.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 промежуточный 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 вызывает большие сложности, так как диаметры штоковых и опорных цапф коленчатого вала при загруженности 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 неподвижными шестернями внутреннего зацепления, имеющим радиус начальной окружности, равный 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 небольшие по размерам подвижные шестерни, расположенные на коленчатом валу, что наиболее проявится в синхронном бесшатунном механизме при одномоментном воздействии на вал повышенной нагрузки от двух поршневых штоков.

Была поставлена задача создать надежный бесшатунный механизм с зацеплением, у которого прочностные характеристики соответствуют прочностным размерам диаметров штоковых и опорных цапф коленчатого вала, а также повышение КПД за счет частичной замены сил трения скольжения в плоских ползунах на трение качения.

Поставленная задача решается за счет того, что механизм содержит шарнирно соединенные опорный и поводковый кривошипы с радиусами вращения, равными одной четвертой части хода поршня. На шейках поводкового кривошипа симметрично продольной оси установлены вращающиеся ролики - цевки. Количество роликов должно быть не менее двух, и расположенные с одинаковым шагом на начальной окружности центроиды с радиусом, также равным одной четвертой части хода поршня. При этом ролики установлены с возможностью взаимодействия с впадинами (в дальнейшем с направляющими) неподвижной шестерни внутреннего зацепления, имеющей радиус начальной окружности - второй центроиды, равный половине хода поршней. Такие зацепления, где с одной стороны имеются ролики, принадлежащие одному из колес, и с другой - эквидистанты циклоидных кривых, называются цевочными. (В.А.Юдин, Л.В.Петрокас “Теория механизмов и машин”, М, “Высшая школа”, 1997 г., стр. 254).

Число впадин - направляющих неподвижной шестерни и их взаимное расположение определяется количеством установленных роликов на поводковом кривошипе. Для любых цилиндрических роликов направляющие неподвижной шестерни прямолинейны, а для двух роликов направляющие между собой перпендикулярны. На поводковом кривошипе на оси одного из роликов вне плоскости внутренней шестерен и располагается штоковая шейка, шарнирно соединенная, как минимум, с одним поршневым штоком. Диаметры роликов могут быть разными по величине.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежом, где представлены две проекции схемы бесшатунного механизма.

Бесшатунный механизм содержит один опорный кривошип 1 с радиусом вращения, равным одной четвертой части хода поршня, шарнирно соединенный с поводковым кривошипом 2, в частности, двухроликовом, представленным на. схеме. На шейках поводкового кривошипа симметрично продольной оси установлены с зазором между собой и возможностью вращения ролики - цевки 3 и 4, расположенные с равным шагом на начальной окружности - центроиды Ц₁, с радиусом вращения, также равным одной четвертой части хода поршня. При этом цевки установлены с возможностью взаимодействия с впадинами 5 и 6 - направляющими неподвижной шестерни внутреннего зацеплении 7, имеющей радиус начальной окружности - второй центроиды Ц₂, равный половине хода поршней. В частности, направляющие (впадины) внутренней шестерни для двух роликов перпендикулярны и вместе с роликами располагаются в одной плоскости этой неподвижной шестерни. Для обеспечения работоспособности бесшатунного механизма необходимо и достаточно двух роликов, соединенных с осью кривошипа жестким звеном и расположенными с равным шагом на начальной окружности, одновременно являющейся подвижной центроидой, но представленная схема позволяет создание бесшатунных механизмов с тремя и более связанными точками в виде вращающихся роликов, оси которых также расположены на начальной окружности.

Для обеспечения вращения двух роликов и выполнения условий постоянства зацепления диаметр dp каждого из них должен быть выполнен несколько меньшим 1/2 хода поршней, что обеспечивает значительное перекрытие момента выхода одного ролика из направляющей с моментом захода другого вне зоны взаимного пересечения направляющих, так как длина hx хода точки ролика А больше пути hy точки ролика В до входа в направляющую, т.е. выполняется условие постоянства зацепления. Для случаев с большим числом роликов, расположенных на начальной окружности, их максимальный диаметр определяется минимальным зазором между ними. На одной из шеек поводкового кривошипа на одной оси одного из роликов располагается штоковая шейка, шарнирно соединенная, как минимум, с одним поршневым штоком 8. Диаметры роликов могут быть разными.

Бесшатунный механизм 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 расположенными на ней роликами 3 и 4 по внутренней центроиде Ц₂ неподвижной шестерни 7, что обеспечивает прямолинейное возвратно-поступательное качение роликов 3 и 4 по прямолинейным сторонам впадины. Траектория движения, в частности, двух цилиндрических роликов в предлагаемом цевочном зацеплении образует прямолинейные впадины - направляющие на неподвижной шестерне и обеспечивает перемещение одного из взаимосвязанных роликов 3 по вертикальной направляющей 5, а другой ролик 4 по горизонтальной направляющей 6, жестко закрепленной внутренней шестерни 7. Расположенная вне неподвижной шестерни на одной оси одного из роликов и являясь принадлежностью поводкового кривошипа 2, штоковая шейка совершает возвратно-поступательные перемещения совместно со штоком 8 и связанным с ним поршнем (не показан).

Заявляемое техническое решение обеспечивает создание надежного бесшатунного механизма с зацеплением, у которого прочностные характеристики соответствуют прочностным диаметрам штоковых и опорных цапф, а также повышение КПД за счет использования тел качения.

Бесшатунный механизм найдет широкое применение в конструкциях двигателей внутреннего сгорания, компрессоров, в устройствах преобразования возвратно-поступательного движении 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 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 шейках поводкового кривошипа симметрично установлены ролики-цевки с возможностью взаимодействия с неподвижной шестерней внутреннего зацепления, имеющей радиус начальной окружности, равный половине хода поршней. На поводковом кривошипе на оси одного из роликов вне плоскости внутренней шестерни располагается шейка, шарнирно соединенная, как минимум, с одним поршневым штоком. Изобретение обеспечивает повышение КПД за счет улучшения условий трения. 1 ил.

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 обеспечением их вращения на своих шейках и зазором между ними не менее двух цилиндрических роликов с равным шагом на начальной окружности с радиусом, равным одной четвертой части хода поршня, находящихся в цевочном зацеплении с неподвижной шестерней внутреннего зацепления, имеющей для движения цилиндрических роликов параллельные и прямолинейные направляющие, расположенные на начальной окружности с радиусом, равным половине хода поршня, в частности, диаметры роликов могут быть и разными по величине, штоковая шейка также принадлежит поводковому кривошипу и находится на оси одного из роликов и располагается вне плоскости неподвижной шестерни.