ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2007 года по МПК F02B75/32 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению.

Из существующего уровня техники известен двигатель внутреннего сгорания, состоящий из цилиндропоршневой группы, головки двигателя с камерой сгорания, механизма газораспределения, систем смесеобразования, топливоподачи, смазки и охлаждения, шатуна, продольного вала, кривошипа, имеющего возможность вращаться в круговой дорожке, опираясь на нее двумя опорными роликами, с возможностью снятия крутящего момента с кривошипа муфтой или планетарной передачей, с возможностью прикладывать при этом к кривошипу только момент сопротивления. В картере на опоре качения установлена шестерня полумуфты или шестерня планетарной передачи, имеющая возможность входить в зацепление с шестерней продольного вала. При этом диаметр окружности вращения оси шатунной шейки, шатунной оси прямой или коленчатой, не вращающейся или вращающейся относительно кривошипа в круговой дорожке, меньше диаметра окружности вращения осей опорных роликов кривошипа в круговой дорожке. На конце продольного вала двигателя установлен механизм увеличения крутящего момента, состоящий из ведущего кривошипа, установленного на продольном валу двигателя, и ведомого кривошипа, имеющего возможность вращаться в круговой дорожке, опираясь на нее двумя опорными роликами, с возможностью снятия крутящего момента с ведомого кривошипа муфтой, с возможностью прикладывать при этом к кривошипу только момент сопротивления пары сил. (см. «Двигатель внутреннего сгорания», Патент РФ №2203431, МПК F 02 B 75/32, опубл. 27.04.2003, приоритет от 03.11.2000)

Известен двигатель внутреннего сгорания, состоящий из цилиндропоршневой группы, головки двигателя с камерой сгорания, механизма газораспределения, систем смесеобразования, топливоподачи, смазки и охлаждения, шатуна, продольного вала, кривошипа, имеющего возможность вращаться в круговой дорожке, опираясь на нее двумя опорными роликами, с возможностью снятия крутящего момента с кривошипа муфтой или планетарной передачей, с возможностью прикладывать при этом к кривошипу только момент сопротивления. В картере на опоре качения установлена шестерня полумуфты или шестерня планетарной передачи, имеющая возможность входить в зацепление с шестерней продольного вала. Причем диаметр окружности вращения оси шатунной шейки меньше диаметра окружности вращения осей опорных роликов кривошипа в круговой дорожке, а шатунная ось выполнена коленчатой и имеет возможность вращения относительно кривошипа в круговой дорожке. Коленчатая шатунная ось имеет щеки в виде Г-образного коромысла. На конце одного рычага коромысла непосредственно закреплена шатунная шейка, а на конце второго рычага на осях установлены ролики, на которые, на наиболее эффективных углах рабочего такта, возможно воздействие ступеней многоступенчатых или одноступенчатых нажимных дорожек, имеющих привод от продольного вала двигателя. Причем ступень нажимной дорожки, имея возможность воздействия на ролик силой, не должна иметь возможность кривизной своей образующей поверхности создавать составляющую силы воздействия, направленную против тангенциальной силы. Причем на углах рабочего такта, где отсутствует воздействие ступеней нажимных дорожек, шатунная ось имеет возможность опираться на упор, установленный на оси опорного ролика кривошипа, являющейся осью вращения самой шатунной оси, с возможностью работать как коленчатая не вращающаяся ось, с возможностью приложения к кривошипу в круговой дорожке отрицательного крутящего момента, обусловленного консольным приложением тангенциальной силы относительно оси опорного ролика. При этом имеется возможность создания полезного крутящего момента только частью длины кривошипа, на углах рабочего такта. Под возможным воздействием ступеней нажимных дорожек шатунная ось имеет возможность отойти от упора на оси опорного ролика. При этом отрицательный момент, прикладываемый к кривошипу, имеет возможность перейти в дополнительный положительный крутящий момент, так как тангенциальная сила получает возможность создавать полезный крутящий момент всей длиной кривошипа в круговой дорожке. Причем сила воздействия ступени нажимной дорожки на ролик шатунной оси имеет возможность по геометрическим законам строить силу, которая, в сою очередь, имеет возможность создавать на кривошипе вторую дополнительную составляющую положительного крутящего момента, плечом равным всей длине кривошипа. Причем суммарный дополнительный крутящий момент, имеющий возможность приложения к кривошипу, должен быть больше крутящего момента, имеющего возможность расходования на привод ступеней нажимных дорожек. Причем ось шатунной шейки имеет возможность оставаться на диаметре окружности вращения оси шатунной шейки. (см. «Двигатель внутреннего сгорания», заявка РФ №2004112487/06(013433), МПК F 02 B 75/32 от 23.04.2004)

Также известен рычажно-кулачковый механизм привода нажимных дорожек двигателя внутреннего сгорания, состоящий из вала кулачка, имеющего кинематическую связь с продольным валом двигателя, и кулачка, имеющего возможность воздействия на качающийся рычаг. При этом качающийся рычаг имеет эвольвентный рабочий профиль с возможностью воздействия этим профилем на двухпрофильный кулачок. А данный кулачок имеет возможность свободного перемещения по направлению действия силы с возможностью воздействия, в свою очередь, на эвольвентный сектор, установленный на оси направляющей нажимных дорожек на шатунную ось двигателя. (см. «Рычажно-кулачковый механизм двигателя внутреннего сгорания», заявка РФ №2005100665/22(000694), МПК F 02 B 75/32 от 11.01.2005)

Целью заявленного изобретения является возможность создания энергетической установки с высокими энергетическими характеристиками, одним звеном которой является механизм, вырабатывающий кинетическую энергию и использующий для этого потенциальную энергию сжатой пружины.

Согласно изобретению энергетическая установка включает в себя двигателя внутреннего сгорания, который состоит из цилиндропоршневой группы, головки двигателя с камерой сгорания, механизма газораспределения, систем смесеобразования, топливоподачи, смазки и охлаждения, шатуна, продольного вала, по меньшей мере, кривошипа, с возможностью вращения в круговой дорожке, опираясь на нее двумя опорными роликами, и с возможностью снятия крутящего момента с кривошипа муфтой или планетарной передачей, с возможность прикладывать при этом к кривошипу только момент сопротивления. В картере на опоре качения установлена шестерня полумуфты или шестерня планетарной передачи, выполненная с возможностью вхождения в зацепление с шестерней продольного вала. Причем диаметр окружности вращения оси шатунной шейки меньше диаметра окружности вращения осей опорных роликов кривошипа в круговой дорожке. Шатунная ось выполнена коленчатой и с возможностью вращения относительно кривошипа в круговой дорожке. Шатунная коленчатая ось имеет щеки в виде Г-образного коромысла. На конце одного рычага коромысла закреплена непосредственно шатунная шейка, на конце второго рычага на осях установлены ролики. Ролики выполнены с возможностью воздействия на них ступеней многоступенчатых или одноступенчатых нажимных дорожек, имеющих привод от продольного вала двигателя. Причем на углах рабочего такта, где отсутствует воздействие ступеней нажимных дорожек, шатунная ось имеет возможность опереться на упор, установленный на оси опорного ролика кривошипа, являющегося осью вращения самой шатунной оси, с возможностью работать как коленчатая не вращающаяся ось, с возможностью прикладывать к кривошипу в круговой дорожке отрицательный момент, обусловленный приложением консольной силы относительно оси опорного ролика, с возможностью при этом создавать полезный крутящий момент только частью длины кривошипа. На углах рабочего такта под возможным воздействием ступеней нажимных дорожек шатунная ось имеет возможность отойти от упора на оси опорного ролика с возможностью создания полезного крутящего момента всей длиной кривошипа в круговой дорожке, причем ось шатунной шейки имеет возможность остаться на диаметре окружности вращения оси шатунной шейки. Причем рычажно-кулачковый механизм привода нажимных дорожек состоит из вала кулачка, имеющего кинематическую связь с продольным валом двигателя, и кулачка, имеющего возможность воздействия на качающийся рычаг с эвольвентным рабочим профилем. Качающийся рычаг выполнен с возможностью воздействия эвольвентным профилем на двухпрофильный кулачок.

Данный кулачок выполнен с возможностью свободно перемещаться по направлению действия силы и с возможностью воздействия, в свою очередь, на эвольвентный сектор, установленный на оси направляющей с нажимными дорожками на шатунную ось двигателя. А на конце продольного вала энергетической установки установлен механизм увеличения крутящего момента, состоящий из ведущего кривошипа и ведомого кривошипа, имеющего возможность вращения в круговой дорожке, опираясь на нее двумя опорными роликами, с возможностью снятия крутящего момента с ведомого кривошипа муфтой и с возможностью приложения при этом к кривошипу только момента сопротивления пары сил. При этом рычажно-кулачковый механизм привода нажимных дорожек двигателя внутреннего сгорания может иметь два и более последовательно установленных двухпрофильных кулачка, выполненных с возможностью каждого свободно перемещаться по направлению действия передающей силы. На выходном валу двигателя установлена управляемая сцепная муфта, позволяющая сцеплять и расцеплять выходной вал двигателя с продольным валом механизма, вырабатывающего кинетическую энергию. Причем механизм, вырабатывающий кинетическую энергию, состоит из качающегося коромысла на оси, вдоль направляющей которого может перемещаться одним своим концом шатун. Причем коромысло и шатун имеют седла с установленной между ними пружиной сжатия, что обеспечивает возможность передвижения шатуна относительно коромысла, увеличивая их общую длину. Вторым своим концом шатун имеет возможность опоры на шатунную шейку коленчатой шатунной оси, состоящей из двух щек в виде Г-образного коромысла. На конце одного рычага коромысла непосредственно закреплена шатунная шейка, на конце второго рычага в соосных осях установлены соосные между собой ролики, выполненные с возможностью воздействия на них ступеней многоступенчатых или одноступенчатых нажимных дорожек, имеющих привод от продольного вала механизма. Причем с помощью соосных центральных подшипников в Г-образных щеках шатунная ось связывает между собой и опирается на соосные оси опорных роликов двух кривошипов, имеющих возможность вращения в соосных между собой двух круговых дорожках, опираясь на них двумя опорными роликами, обеспечивая возможность снятия крутящего момента с кривошипа во время рабочего полуоборота муфтой или планетарной передачей, возможность приложения при этом к кривошипу только момента сопротивления пары сил, не создавая реакцию опоры и возможность во время холостого полуоборота муфты или планетарной передачи становится опорными и создавать реакцию опоры, а шестерне полумуфты, установленной на опоре качения, или шестерне планетарной передачи возможность вхождения в зацепление с шестерней продольного вала. Причем на углах рабочего полуоборота, где отсутствует воздействие ступеней нажимных дорожек, шатунная ось обладает возможностью опереться на упор, установленный на оси опорного ролика кривошипа, являющийся осью вращения самой шатунной оси, выполненной с возможностью работы как коленчатая не вращающаяся ось, обеспечивая возможность приложения к кривошипу в круговой дорожке отрицательного момента, обусловленного консольным приложением тангенциальной со стороны пружины сжатия силы относительно оси опорного ролика. При этом указанное дает возможность создавать полезный крутящий момент только частью длины кривошипа. На углах рабочего полуоборота имеется возможность воздействия ступеней нажимных дорожек, обеспечивая для шатунной оси возможность отхода от упора на оси опорного ролика, что обеспечивает возможность создания полезного крутящего момента всей длиной кривошипа в круговой дорожке. Причем ось шатунной шейки остается на диаметре окружности вращения оси шатунной шейки. Причем рычажно-кулачковый механизм привода нажимных дорожек состоит из вала кулачка, имеющего кинематическую связь с продольным валом механизма с возможностью воздействия на качающийся рычаг с эвольвентным рабочим профилем и с возможностью воздействия этим профилем на один или два и более двухпрофильный кулачок. При этом имеется возможность для данного кулачка свободно перемещаться по направлению действия силы и возможность воздействия, в свою очередь, на эвольвентный сектор, установленный на оси направляющей с нажимными дорожками на шатунную ось механизма. А на продольном валу механизма установлен маховик, аккумулирующий выработанную кинетическую энергию, и на конце продольного вала установлен ведущий кривошип механизма увеличения крутящего момента.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено следующее:

На фиг.1 показан продольный разрез энергетической установки.

На фиг.2 показан поперечный разрез двигателя внутреннего сгорания.

На фиг.3 показан поперечный разрез механизма, вырабатывающего кинетическую энергию.

На фиг.4 показан поперечный разрез механизма с первой нажимной дорожкой, имеющей нечетные номера степеней по счету, начиная с первой.

На фиг.5 показан поперечный разрез механизма со второй нажимной дорожкой, имеющей четные номера ступеней по счету, начиная со второй.

На фиг.6 показан поперечный разрез механизма в процессе воздействия на шатунную ось первой ступени первой нажимной дорожки во время рабочего полуоборота.

На фиг.7 показан поперечный разрез механизма в процессе воздействия на шатунную ось второй ступени второй нажимной дорожки во время рабочего полуоборота.

На фиг.8 показан поперечный разрез механизма в процессе воздействия на шатунную ось третьей ступени первой нажимной дорожки во время рабочего полуоборота.

На фиг.9 показан поперечный разрез механизма в процессе сжатия пружины во время холостого хода.

На фиг.10 показана силовая схема механизма в процессе сжатия пружины во время холостого хода.

На фиг.11 показан продольный разрез механизма, вырабатывающего кинетическую энергию.

На фиг.12 показано построение образующей поверхности ступени нажимной дорожки.

На фиг.13 показана схема фиксации шатунной оси на ось опорного ролика кривошипа в круговой дорожке.

На фиг.14 показаны силовые схемы механизма, вырабатывающего кинетическую энергию во время рабочего полуоборота.

а) в начале и конце рабочего полуоборота, когда ступени нажимных дорожек не воздействуют на шатунную ось;

б) в середине рабочего полуоборота, во время воздействия ступеней нажимных дорожек на шатунную ось.

На фиг.15 показана силовая схема рычажно-кулачкового механизма привода нажимных дорожек с одним, свободно перемещающимся по направлению действия силы двухпродольным кулачком как для двигателя внутреннего сгорания, так и для механизма, вырабатывающего кинетическую энергию.

На фиг.16 показана силовая схема рычажно-кулачкового механизма привода нажимных дорожек с двумя, свободно перемещающимися по направлению действия силы, последовательно установленными, двухпрофильными кулачками.

На фиг.17 показан продольный разрез механизма увеличения крутящего момента.

На фиг.18 показан поперечный разрез ведущего кривошипа механизма увеличения крутящего момента с силовой схемой.

На фиг.19 показан поперечный разрез ведомого кривошипа механизма увеличения крутящего момента с силовой схемой.

Конструкция состоит из двигателя внутреннего сгорания 1, построенного для получения высоких выходных силовых характеристик по схемам второго и третьего аналогов (фиг.1, 2). Возможно построение двигателя по схеме первого аналога, но с более низкими выходными силовыми характеристиками.

На выходном валу двигателя 1 установлена управляемая сцепная муфта 4, позволяющая сцеплять и расцеплять выходной вал двигателя 1 с продольным валом механизма, вырабатывающего кинетическую энергию 2. На конце продольного вала механизма, вырабатывающего кинетическую энергию 2, установлен для увеличения выходных силовых характеристик энергетической установки механизм увеличения крутящего момента 3 (фиг.1).

Механизм, вырабатывающий кинетическую энергию 2, состоит из качающегося коромысла 16 в оси 18 (фиг.3). Вдоль линейной направляющей коромысла может перемещаться одним своим концом шатун 15. Коромысло и шатун имеют седла для установки пружины сжатия 17. Пружина в свободном состоянии стремится сдвинуть шатун относительно коромысла, увеличивая их общую длину. Вторым своим концом шатун 15 опирается на шатунную шейку 9 коленчатой шатунной оси. Коленчатая шатунная ось состоит из двух щек 10 в виде Г-образного коромысла, на конце одного рычага которого непосредственно закреплена шатунная шейка 9, а на конце второго рычага в осях 13 установлены ролики 12. Оси 13 и ролики 12 обеих щек шатунной оси соосны между собой. Шатунная ось обеспечивает возможность связывания между собой двух кривошипов 5, имеющих возможность вращения в соосных между собой двух круговых дорожках 8 (фиг.3, 11). Кривошипы 5 опираются на круговую дорожку 8 с помощью двух опорных роликов 6, установленных в осях 7 и 11 кривошипа 5.

Шатунная шейка 9 описывает окружность диаметром D_ш, которая меньше окружности диаметром D_кр, описываемый осями 7 и 11 опорных роликов 6.

Ось Х-Х кривошипа 5 смещена относительно оси круговой дорожки 8 на величину эксцентриситета l, что необходимо для обеспечения работоспособности системы и создания силы N приемлемой величины (фиг.14).

Оси 7 и 11 опорных роликов двух совместно работающих кривошипов 5 соосны между собой. Плоскость, в которой качается коромысло 16 и движется шатун 15, перпендикулярна оси соосных круговых дорожек 8 и равноудалена от них.

С помощью соосных подшипников в щеках 10 шатунная ось опирается щеками на оси 11 опорных роликов 6. Причем от свободного поворота шатунной оси по направлению действия тангенциальной силы Р, создаваемой силой пружины P_пр (фиг.14, 10). Щеки 10 фиксируются на осях 11 опорных роликов с помощью шпонки 72 (фиг.13). Такая конструкция позволяет на начальных и заключительных углах рабочего полуоборота, когда отсутствует возможность воздействия ступеней нажимных дорожек на ролики 12 шатунной оси, создать полезный крутящий момент, с возможностью действовать по силовой схеме представленной на фиг.14а.

На каждый ролик 12 шатунной оси имеют возможность воздействия ступени двух, рядом стоящих, нажимных дорожек. По представленным фигурам первая нажимная дорожка имеет первую ступень 20 и третью 21, вторая дорожка имеет одну вторую ступень 23 (фиг.3, 4, 5, 6, 7, 8). Количество ступеней, представленное на фигурах, условно. Необходимо подразумевать, что первая дорожка состоит из всех нечетных ступенек, начиная с первой. Вторая из всех четных, начиная со второй.

Первая дорожка, состоящая из ступенек 20 и 21, объединена общей направляющей 19, опирающейся с возможностью прямолинейного перемещения на ролики 24, установленные на осях 25 (фиг.3, 4, 6, 8).

Вторая дорожка, состоящая из ступеньки 23, имеет направляющую 22, опирающуюся с возможностью прямолинейного перемещения на ролики 26, установленные на осях 27 (фиг.5, 7).

Для привода нажимных дорожек используются рычажно-кулачковый механизм, приведенный в третьем аналоге.

Для привода направляющей 19 со ступенями 20 и 21 применяется рычажно-кулачковый механизм, состоящий из кулачка 59, установленного на продольном валу 58 (фиг.3, 4, 6, 8). Кулачок 59 при вращении имеет возможность воздействовать на качающийся на оси 51 рычаг 50 с эвольвентным рабочим профилем, который, в свою очередь, имеет возможность воздействовать на один из профилей двухпрофильного кулачка 30.

Кулачок 30 спрофилирован двумя диаметральными радиусами R₁ и R₂ из одной оси 35, являющейся осью вращения кулачка. Ось 35 закреплена на конце звена 36 с возможностью свободного вращения вокруг оси 37. Ось 35 совместно с кулачком 30 имеет возможность свободного перемещения вдоль оси Z-Z в пределах хода нажимных дорожек. В свою очередь кулачок 30 вторым рабочим профилем обладает возможностью воздействовать на эвольвентный сектор 31, закрепленный на оси 34 направляющей 19. В нерабочем положении пружины фиксируют: пружина 52 - рычаг 50 на упоре 56, пружина 43 - кулачок 30 на упоре 42, пружина 45 - эвольвентный сектор 31 на упоре 44, пружина 28 - первую нажимную дорожку со ступенями 20 и 21 в исходном положении.

Приведенная конструкция рычажно-кулачкового механизма позволяет строить ход направляющей 19 со ступенями 20 и 21 по оси Z-Z суммированием хода кулачка 30 под воздействием рычага 50 и дополнительного хода эвольвентного сектора 31 под воздействием кулачка 30.

Для привода второй нажимной дорожки со ступенью 23 применяется рычажно-кулачковый механизм, состоящий из кулачка 60, установленного на продольном валу 58 (фиг.5, 7). Кулачок 60 при вращении имеет возможность воздействовать на качающийся на оси 54 рычаг 53 с эвольвентным рабочим профилем, который, в свою очередь, обладает возможностью воздействия на один из профилей двухпрофильного кулачка 32. Кулачок 32 спрофилирован двумя диаметральными радиусами R₁ и R₂ из одной оси 39, являющейся осью вращения кулачка. Ось 39 закреплена на конце звена 40, которое, в свою очередь, имеет возможность вращающения вокруг оси 41. Ось 39 совместно с кулачком 32 обладают возможностью свободно перемещаться вдоль оси Z-Z в пределах хода нажимных дорожек. В свою очередь, кулачок 32 вторым рабочим профилем воздействует на эвольвентный сектор 33, закрепленный в оси 38 направляющей 22. В нерабочем положении имеется возможность, при которой пружины фиксируют: пружина 55 - рычаг 53 на упоре 57, пружина 47 - кулачок 32 на упоре 46, пружина 49 - эвольвентный сектор 33 на упоре 48, пружина 29 - нажимную дорожку со ступенью 23 в исходном положении.

Приведенная конструкция рычажно-кулачкового механизма позволяет строить ход направляющей 22 со ступенью 23 по оси Z-Z суммированием хода кулачка 32 под действием рычага 53 и дополнительного хода эвольвентного сектора 33 под действием кулачка 32.

На каждую пружину 17, коромысло 16 и шатун 15 приходится два симметричных относительно шатуна ролика 12, на каждую пружину и шатун приходится две симметрично установленные дорожки со ступенями 20, 21, объединенные направляющей 19 с рычагами 50 двухпродольными кулачками 30 и эвольвентными секторами 31, и две симметрично установленные дорожки со ступенями 23, направляющими 22, рычагами 53, двухпрофильными кулачками 32 и эвольвентными секторами 33 (фиг.11).

Продольный вал 58 с кулачками 59 и 60 с помощью шестерен 63, 62 и вала 61 связан с продольным валом 65 механизма, вырабатывающего кинетическую энергию. Так как ступени нажимных дорожек должны обладать возможностью воздействовать на ролики 12 шатунной оси во время рабочего полуоборота кривошипа в круговой дорожке и не мешаться во время холостого полуоборота кривошипа в круговой дорожке, то может иметь место вариант конструкции, когда обороты вала 61 с шестерней 62 равны оборотам кривошипа в круговой дорожке 5, при этом зубья на шестерне 62 должны быть нарезаны на половине образующей окружности (фиг.3, 4, 5, 6, 7, 8). Такая конструкция позволяет вращать вал 58 во время рабочего полуоборота и останавливать его во время холостого полуоборота, обеспечивая между ступенями нажимных дорожек и образующей ролика 12 зазор к (фиг.3, 4, 5).

Передаточное отношение между шестернями 62 и 63 должно обеспечивать нужные обороты вала 58.

Конструкция привода вала 58 должна иметь возможность постоянно обеспечивать включение вращения вала в строго определенном угловом положении кривошипа в круговой дорожке.

Для повышения выходных силовых характеристик двигателя внутреннего сгорания 1 и механизма 2, вырабатывающего кинетическую энергию, за счет снижения мощности, потребляемой кулачковыми валами двигателя и механизма, возможен вариант конструкции рычажно-кулачкового механизма привода нажимных дорожек с двумя и более, последовательно установленными, двухпрофильными кулачками, имеющими возможность свободного перемещения вдоль оси Z-Z (фиг.16). Во время рабочего полуоборота свободно перемещающийся по оси Z-Z двухпрофильный кулачок 30 (32) своим вторым рабочим профилем воздействует на первый эвольвентный профиль второго свободно перемещающегося по оси Z-Z двухпрофильного кулачка 74, выполненного с возможностью вращения на оси 75. Ось 75 закреплена на конце звена 78 и обладает возможностью свободно вращаться вокруг оси 79. Пружина 77 имеет возможность фиксации кулачка 74 на упоре 76. Вторым рабочим профилем, описанным радиусом R'₁, второй свободно перемещающийся двухпрофильный кулачок может воздействовать на эвольвентный сектор 31 (33). Силовая схема с требованиями, обеспечивающими работоспособность рычажно-кулачкового механизма с двумя свободно перемещающимися двухпрофильными кулачками 30 (32) и 74, представлена на фиг.16. Предлагаемая конструкция строит ход направляющей 19 (22) со ступенями по оси Z-Z суммированием хода кулачка 30 (32) под воздействием рычага 50 (53) и двух дополнительных ходов, обусловленных воздействием первого свободно перемещающегося кулачка 30 (32) на второй свободно перемещающийся кулачок 74 и второго свободно перемещающегося кулачка 74 на эвольвентный сектор 31 (33).

От возможного поворота шатунной оси по направлению действия нажимной со стороны ступенек силы N₁ во время холостого полуоборота щеки 10 могут фиксироваться на осях 11 с помощью поворотной собачки 69, установленной на оси 70 на кривошипе в круговой дорожке 5 и обладающей возможностью прижиматься к ступенчатому упору щеки 10 с помощью пружины 71 (фиг.13а). Такая фиксация необходима для того, чтобы шатунная ось во время холостого полуоборота не была плавающей, а шатунная шейка оставалась на окружности D_ш.

С началом воздействия ступеней на ролики 12 упор 68, жестко закрепленный на первой ступени 20, отводит собачку 69 от ступенчатого упора щеки 10 и обеспечивает возможность свободного поворота шатунной оси под действием силы N₁ со стороны ступенек нажимных дорожек (фиг.11, 13).

В случае поворота кривошипа в круговой дорожке 5 на углы, на которых ступени нажимных дорожек имеют возможность воздействовать на ролики 12 шатунной оси, шестерня 62 в строго фиксированном положении по отношению к углу поворота кривошипа в круговой дорожке начинает вращать вал 58 с кулачками так, что первоначально кулачок 59 своим первым подъемом обеспечивает возможность поворота рычага 50 и рычажно-кулачковый механизм получает возможность переместить направляющую 19 со ступенькой 20 в направлении к оси круговой дорожки 8. Ступенька 20 началом своей образующей подходит к ролику 12 шатунной оси, обеспечивая возможность освобождения ее от действия фиксатора 69, и воздействует на ролик 12 нажимной силой N₁ (фиг.6, 12, 13, 14). Для обеспечения работоспособности необходимо, чтобы шатунная ось под действием нажимной силы N₁ имела возможность повернуться на небольшой угол. При этом щеки 10 своими ступенчатыми упорами получают возможность отойти от шпонок 72 (фиг.13а). Такое положение обеспечивается на всех углах α₁ α₂, α₃, охватывающих, соответственно, образующие ступеней 20, 23, 21, при перекатывании ролика 12 по образующим данных ступеней. При этом образующая ролика 12 не должна выходить за окружность диаметром D_H (фиг.6). Конструкция рычажно-кулачкового механизма, приводящего направляющую 19 со ступенью 20, и угловая скорость вала 58 должны позволить кулачку 59 своим первым подъемом начать воздействовать на ступень 20 на всем угле α₁ обеспечивая ролику 12 возможность своей образующей не выходить за окружность диаметром D_H. При подходе ролика 12 к краю образующей ступени 20 кулачок 60 должен по возможности начать воздействовать своим подъемом на рычаг 53 и обеспечить перемещение направляющей 22 со ступенью 23 в направлении к оси круговой дорожки 8 на всем угле α₂, охватывающем образующую ступени 23, обеспечивая возможность ролику 12 своей образующей не выходить за окружность диаметром D_H (фиг.7).

При подходе ролика 12 к краю образующей 23 кулачок 59 должен начать своим вторым подъемом воздействовать на рычаг 50 и обеспечить перемещение направляющей 19 со ступенью 21 в направлении к оси круговой дорожки 8 на всем угле α₃, охватывающем образующую ступени 21, обеспечивая возможность ролику 12 своей образующей не выходить за окружность D_H (фиг.8).

Для того чтобы процесс воздействия ступенек был непрерывным, углы α₁, α₂, α₃ должны перекрывать друг друга на небольшую величину.

Предлагаемая конструкция будет иметь силовой эффект только в том случае, если при перекатывании ролика 12 по образующей ступени под действием силы N₁ со стороны ролика на кривошип в круговой дорожке из сил сопротивления будет, по возможности, действовать только сила трения качения ролика по образующей и сила трения в подшипнике ролика 12 на оси 13. Наличие сил, обусловленных кривизной образующей ступени, не допускается. Для этого необходимо правильное построение ступени, которое показано на фиг.12. Прочерчиваем два положения кривошипа в круговой дорожке 5. Первое положение соответствует контакту начала образующей ступени с роликом 12. Кривошип в данном положении обозначен осью Х-Х.

Образующая ролика 12 описывает в данном положении окружность диаметром D_СВ. Линия m-n проходит через ось вращения ролика 12 и параллельна оси кривошипа Х-Х. Второе положение соответствует контакту конца образующей ступени с роликом 12. Кривошип в данном положении обозначен осью X₁-X₁. Образующая ролика 12 в данном положении описывает окружность диаметром D_H. Линия m₁-n₁ проходит через ось вращения ролика 12 и параллельна оси кривошипа X₁-X₁, образующая нажимной ступени для данного положения показана пунктирной линией. l₁ - прямолинейный ход ступени вдоль оси Ж-Ж от первого до второго положения.

Для того чтобы сила N₁ не имела составляющую, обусловленную кривизной образующей ступени, необходимо, чтобы сила N₁, действующая по общей нормали между образующей ступени и образующей ролика 12, по всей длине образующей ступени имела с осью кривошипа в круговой дорожке Х-Х (X₁-X₁) или с линией m-n (m₁-n₁) угол, равный или больший нуля (фиг.12, 14). Угол γ должен быть равен или больше нуля по всей длине образующей. Для построения образующей с минимальным радиусом кривизны R (фиг.12) находим на линии m-n точку 0 и проводим из нее образующую радиусом R, одновременно касающуюся образующей ролика 12. При переходе кривошипа 5 и нажимной ступени во второе положение точка 0 переместится вместе со ступенью по линии, параллельной направляющей Ж-Ж, на размер l₁ и займет положение 0₁. Необходимо, чтобы точка 0, переместившись в точку 0₁ на размер l₁, не пересекала при этом линии m₁-n₁. При таком построении угол γ между силой N₁ и осью Х-Х (m-n) для любой точки образующей ступени будет равен или больше нуля. Каждая ступень может иметь свой радиус кривизны.

Таким образом, в начале и конце рабочего полуоборота, когда отсутствует возможное воздействие ступеней нажимных дорожек на ролики 12 шатунной оси, и щеки 10 фиксируются от поворота тангенциальной силы Р с помощью шпонок 72, установленных на опорных осях 11, шатунная шейка 9 имеет консольное крепление относительно оси 11, поэтому силовая схема может быть описана фиг.14а.

Момент М₁=-Р×АБ - является отрицательным моментом, обусловленным консольным креплением шатунной шейки 9.

Полезный момент может быть создан только частью длины кривошипа 5 и может быть равным: М_Σ=Р×БВ.

Так как построить конструкцию, воздействующую на ролик 12 шатунной оси на всех углах рабочего полуоборота, сложно, то предлагается возможность строить такую систему для углов рабочего полуоборота, где полезный крутящий момент имеет максимальные величины с целью, по возможности, дополнительного увеличения, без переброса оси шатунной шейки на диаметр окружности больший, нежели диаметр окружности вращения оси шатунной шейки D_ш.

Под воздействием ступеней 20, 23, 21 нажимных дорожек, имеющих привод от продольного вала двигателя 65 механизма, вырабатывающего кинетическую энергию, на ролики 12 шатунной оси шатунная ось получает возможность повернуться и отойти от упора шпонки 72. При этом шатунная ось, по возможности, снимает с кривошипа 5 отрицательный крутящий момент M₁, который становится на кривошипе дополнительным положительным моментом. На кривошипе, по возможности, создается тангенциальной силой полезный крутящий момент всей длиной кривошипа. При этом шатунная шейка 9 практически остается на диаметре окружности D_ш. Сила N₁, имеющая по построению конструкции с осью кривошипа 5 угол γ, равный или больший нуля, по возможности, уменьшает тангенциальную силу Р только на величину трения качения ролика 12 по образующей ступени и в подшипнике ролика. Поэтому данные величины условно не учитываем. Кроме того, сила N₁, по возможности, целиком передается на противоположный опорный ролик 6 с осью 7. Силы, действующие на опорную ось 7, фактически создают полезный крутящий момент на кривошипе 5 относительно опорной оси 11. Сила N₁, по возможности, создает на оси 7 дополнительную силу P₁, которая создает на кривошипе 5 дополнительный крутящий момент, равный P₁×AB (фиг.14б).

Таким образом, на кривошипе 5 под воздействием ступеней нажимных дорожек начинает действовать дополнительный положительный крутящий момент, состоящий из двух составляющих (фиг.14б):

М_доп.=Р×АБ+P₁×AB

Составляющая Р×АБ - бывший отрицательный момент на кривошипе, который стал положительным.

Но часть полезного крутящего момента, по возможности, создаваемого на кривошипе, будет, по возможности, забираться валом 58 с кулачками 59 и 60, имеющим привод от продольного вала 65 механизма, данная часть момента является отрицательной, обозначим ее - М_кул.

На кривошипе 5 начинает, по возможности, действовать суммарный крутящий момент, состоящий из двух положительных составляющих и отрицательной (фиг.14б):

M_Σ=P×AB+P₁×AB - М_кул.

Для получения на механизме дополнительного силового выигрыша, необходимо, чтобы две дополнительные положительные составляющие крутящего момента были больше отрицательной, потребляемой валом 58.

Именно для получения существенного силового выигрыша предлагается ступенчатая нажимная дорожка в совокупности с рычажно-кулачковым механизмом, в состав которого входит один или два и более двухпрофильных кулачка, свободно перемещающихся по направлению действия нажимной силы.

С кривошипа 5 крутящий момент во время рабочего полуоборота, по возможности, снимается муфтой или планетарной передачей, с возможностью прикладывать при этом к кривошипу только момент сопротивления пары сил. Возможность приложения к кривошипу со стороны муфты или планетарной передачи других силовых факторов, кроме момента сопротивления, не допускается.

Причем у планетарной передачи должно быть не менее трех сателлитов. Полумуфта 67 муфты (фиг.11) или центральное колесо планетарной передачи должно иметь соединение с кривошипом 5, ограничивающее их взаимное не вращение друг относительно друга и допускающее как поперечные, так и угловые взаимные перемещения в пределах, обеспечивающих выполнение требований, предъявляемых к системе съема момента. На выходном валу ведомой полумуфты, вращающейся в подшипниковой опоре механизма, установлена шестерня 66, входящая в зацепление с шестерней 64 продольного вала 65.

Во время рабочего полуоборота муфта или планетарная передача системы съема момента не должны для кривошипа 5 создавать реакцию опоры (фиг.14). Во время холостого полуоборота, при сжатии пружины 17, муфта или планетарная передача должны становиться для кривошипа 5 опорными. Полумуфта 67 должна опираться на упор 14, создавая реакцию опоры (фиг.10). Для обеспечения механизмом, вырабатывающим кинетическую энергию, возможности работать по замкнутому циклу, на продольном валу 65 механизма установлен маховик 73, аккумулирующий выработанную во время рабочего полуоборота кинетическую энергию и расходующий часть этой энергии во время холостого полуоборота на сжатие пружины 17. Во время холостого полуоборота полумуфта 67 совместно с кривошипом 5 должны иметь возможность опереться на упор 14 (фиг.3, 9, 11). При этом на кривошипе 5 создается отрицательный крутящий момент М_сж.пр, расходуемый на сжатие пружины 17. Конструкция механизма, вырабатывающего кинетическую энергию, для более высокой силовой эффективности механизма, должна обеспечивать создание отрицательного момента М_сж.пр плечом, равным радиусу вращения шейки 9 шатунной оси (фиг.10).

где Р' - тангенциальная сила при сжатии пружины.

Конструкция и зазоры системы съема момента должны быть выполнены так, чтобы упор 14 не препятствовал выполнению требований предъявляемых к системе съема момента во время рабочего полуоборота, описанных выше, и становился опорой во время холостого полуоборота.

Так как плечо полезного момента, равное AB=D_кр, вырабатываемого во время рабочего полуоборота, больше чем плечо отрицательного момента, расходуемого на сжатие пружины, вырабатываемый полезный крутящий момент механизмом, вырабатывающим кинетическую энергию, больше потребляемого отрицательного (фиг.10, 14).

М_выр=М_Σ-М_сж.пр

Для увеличения выходных силовых характеристик энергетической установки на выходном валу механизма, вырабатывающего кинетическую энергию, установлен механизм увеличения крутящего момента, выполненный по схеме, описанной в первом аналоге (фиг.1, 11, 17, 18, 19).

Механизм увеличения крутящего момента состоит из ведущего кривошипа 80, установленного на конце продольного вала 65 механизма, вырабатывающего кинетическую энергию, и ведомого кривошипа 83, имеющего возможность вращения в круговой дорожке 86, соосной с осью продольного вала 65. Кривошип 83 опирается на круговую дорожку 86 двумя опорными роликами 82 на опорах качения. Ось кривошипа смещена относительно оси круговой дорожки на величину эксцентриситета l. Ведущий кривошип 80, по возможности, воздействует на ось 81 одного из опорных роликов 82 кривошипа 83 так, что прикладывается только сила Q. Воздействие других силовых факторов не допустимо. На кривошипе 83 создается силовая схема, приведенная на фиг.19. Чтобы приведенная на фиг.19 силовая схема не нарушалась и имело место увеличение крутящего момента, необходимо чтобы муфта 84, снимающая с кривошипа 83 крутящий момент, прикладывала к кривошипу только момент сопротивления. Воздействие других силовых факторов не допустимо. Для выполнения этих требований необходимо, чтобы соединение ведомой полумуфты муфты 84 с кривошипом 83 было плавающим. Ведомая полумуфта муфты соединена с выходным валом 85 энергетической установки.

Возможен вариант конструкции механизма, вырабатывающего кинетическую энергию, выполненный по схеме первого аналога, но с силовыми характеристиками более низкими, чем у описанного выше.

Обороты механизма, вырабатывающего кинетическую энергию, должны быть синхронизированы с оборотами двигателя внутреннего сгорания.

Изобретение относится к энергетическому машиностроению. Технический результат заключается в возможности создания энергетической установки с высокими силовыми характеристиками. Согласно изобретению энергетическая установка включает в себя поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором имеется возможность изменения величины плеча кривошипа в зависимости от протекающего в двигателе рабочего процесса. Мощность от двигателя передается потребителю последовательно через механизм, вырабатывающий кинетическую энергию, и механизм увеличения крутящего момента, увеличивающие выходные силовые характеристики энергетической установки. 19 ил.

Энергетическая установка, состоящая из двигателя внутреннего сгорания, который состоит из цилиндропоршневой группы, головки двигателя с камерой сгорания, механизма газораспределения, систем смесеобразования, топливоподачи, смазки и охлаждения, шатуна, продольного вала, по меньшей мере, кривошипа, с возможностью вращения в круговой дорожке, опираясь на нее двумя опорными роликами, и с возможностью снятия крутящего момента с кривошипа муфтой или планетарной передачей, с возможностью прикладывать при этом к кривошипу только момент сопротивления, а шестерня полумуфты, установленная в картере на опоре качения, или шестерня планетарной передачи выполнены с возможностью вхождения в зацепление с шестерней продольного вала, причем диаметр окружности вращения оси шатунной шейки меньше диаметра окружности вращения осей опорных роликов кривошипа в круговой дорожке, а шатунная ось коленчатая, выполненная с возможностью вращения относительно кривошипа в круговой дорожке, имеет щеки в виде Г-образного коромысла, на конце одного рычага которого закреплена непосредственно шатунная шейка, на конце второго рычага на осях установлены ролики, на которые возможно воздействие ступеней многоступенчатых или одноступенчатых нажимных дорожек, имеющих привод от продольного вала двигателя, причем на углах рабочего такта, где отсутствует воздействие ступеней нажимных дорожек, шатунная ось имеет возможность опереться на упор, установленный на оси опорного ролика кривошипа, являющегося осью вращения самой шатунной оси, с возможностью работать как коленчатая невращающаяся ось, с возможностью прикладывать к кривошипу в круговой дорожке отрицательный момент, обусловленный приложением консольной силы относительно оси опорного ролика, с возможностью при этом создавать полезный крутящий момент только частью длины кривошипа, на углах рабочего такта под возможным воздействием ступеней нажимных дорожек шатунная ось имеет возможность отойти от упора на оси опорного ролика с возможностью создания полезного крутящего момента всей длиной кривошипа в круговой дорожке, причем ось шатунной шейки имеет возможность остаться на диаметре окружности вращения оси шатунной шейки, причем рычажно-кулачковый механизм привода нажимных дорожек состоит из вала кулачка, имеющего кинематическую связь с продольным валом двигателя, кулачка, имеющего возможность воздействия на качающийся рычаг с эвольвентным рабочим профилем, выполненный с возможностью воздействия этим профилем на двухпрофильный кулачок, выполненный с возможностью данного кулачка свободно перемещаться по направлению действия силы и с возможностью воздействия, в свою очередь, на эвольвентный сектор, установленный на оси направляющей с нажимными дорожками на шатунную ось двигателя, а на конце продольного вала энергетической установки установлен механизм увеличения крутящего момента, состоящий из ведущего кривошипа и ведомого кривошипа, имеющего возможность вращения в круговой дорожке, опираясь на нее двумя опорными роликами, с возможностью снятия крутящего момента с ведомого кривошипа муфтой и с возможностью приложения при этом к кривошипу только момента сопротивления пары сил, отличающаяся тем, что рычажно-кулачковый механизм привода нажимных дорожек двигателя внутреннего сгорания может иметь два и более последовательно установленных двухпрофильных кулачков, выполненных с возможностью каждого свободно перемещаться по направлению действия передающей силы, а на выходном валу двигателя установлена управляемая сцепная муфта, позволяющая сцеплять и расцеплять выходной вал двигателя с продольным валом механизма, вырабатывающего кинетическую энергию, причем механизм, вырабатывающий кинетическую энергию, состоит из качающегося коромысла на оси, вдоль направляющей которого может перемещаться одним своим концом шатун, причем коромысло и шатун имеют седла с установленной между ними пружиной сжатия, что обеспечивает возможность передвижения шатуна относительно коромысла, увеличивая их общую длину, вторым своим концом шатун имеет возможность опоры на шатунную шейку коленчатой шатунной оси, состоящей из двух щек в виде Г-образного коромысла, на конце одного рычага которого закреплена непосредственно шатунная шейка, на конце второго рычага в соосных осях установлены соосные между собой ролики, выполненные с возможностью воздействия на них ступеней многоступенчатых или одноступенчатых нажимных дорожек, имеющих привод от продольного вала механизма, причем с помощью соосных центральных подшипников в Г-образных щеках шатунная ось связывает между собой и опирается на соосные оси опорных роликов двух кривошипов, имеющих возможность вращения в соосных между собой двух круговых дорожках, опираясь на них двумя опорными роликами, обеспечивая возможность снятия крутящего момента с кривошипа во время рабочего полуоборота муфтой или планетарной передачей, возможность приложения при этом к кривошипу только момента сопротивления пары сил, не создавая реакцию опоры, и возможность во время холостого полуоборота муфты или планетарной передачи стать опорными и создавать реакцию опоры, а шестерне полумуфты, установленной на опоре качения, или шестерне планетарной передачи возможность вхождения в зацепление с шестерней продольного вала, причем на углах рабочего полуоборота, где отсутствует воздействие ступеней нажимных дорожек, шатунная ось обладает возможностью опереться на упор, установленный на оси опорного ролика кривошипа, являющийся осью вращения самой шатунной оси, выполненной с возможностью работы как коленчатая невращающаяся ось, обеспечивая возможность приложения к кривошипу в круговой дорожке отрицательного момента, обусловленного консольным приложением тангенциальной со стороны пружины сжатия силы относительно оси опорного ролика, что дает возможность при этом создавать полезный крутящий момент только частью длины кривошипа, на углах рабочего полуоборота имеется возможность воздействия ступеней нажимных дорожек, обеспечивая для шатунной оси возможность отхода от упора на оси опорного ролика, что обеспечивает возможность создания полезного крутящего момента всей длиной кривошипа в круговой дорожке, причем ось шатунной шейки остается на диаметре окружности вращения оси шатунной шейки, причем рычажно-кулачковый механизм привода нажимных дорожек состоит из вала кулачка, имеющего кинематическую связь с продольным валом механизма с возможностью воздействия на качающийся рычаг с эвольвентным рабочим профилем и с возможностью воздействия этим профилем на один или два и более двухпрофильный кулачок, при этом имеется возможность для данного кулачка свободно перемещаться по направлению действия силы и возможность воздействия, в свою очередь, на эвольвентный сектор, установленный на оси направляющей с нажимными дорожками на шатунную ось механизма, а на продольном валу механизма установлен маховик, аккумулирующий выработанную кинетическую энергию, и на конце продольного вала установлен ведущий кривошип механизма увеличения крутящего момента.