ЗУБЧАТЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ВО ВРАЩАТЕЛЬНОЕ И НАОБОРОТ, КОЛЕНЧАТАЯ ПАРА, ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ ВАЛ И УЗЕЛ СОЕДИНЕНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ВАЛА С ПРОТИВОВЕСОМ КОЛЕНЧАТОЙ ПАРЫ ДЛЯ НЕГО Российский патент 2008 года по МПК F16H21/16 F16H35/18 F02B75/02 F16H1/00 F02B57/00 F02B59/00 

Предлагаемое изобретение относится к области транспортного машиностроения, в частности к поршневым машинам, и может применяться в поршневых двигателях внутреннего сгорания, в компрессорах и насосах.

Из уровня техники известен поршневой 4-цилиндровый, 4-тактный двигатель внутреннего сгорания, модель 412 (см. А.Ф.Андронов. Автомобиль «Москвич-412». Издание 2-е, перераб. и допол. М.: Машиностроение, 1973, с.23-28, рис.11), выбранный в качестве прототипа, состоящий из картера, цилиндров, поршней, соединенных с верхними головками шатунов при помощи пальцев. В качестве преобразователя движения в данном двигателе применяется коленчатый вал, шейки которого соединены с нижними головками шатунов при помощи разъемных скользящих опор.

Недостатком известной конструкции двигателя является сложность изготовления коленчатого вала, который испытывает большие нагрузки от всех 4-х поршней, связанных с ним шатунами. Поэтому коленчатые валы изготовляют с большим запасом прочности, что влечет повышение металлоемкости и веса.

При работе данного двигателя коленчатый вал совершает 2 оборота за 4 такта (рабочий ход, выпуск, впуск, сжатие), поэтому для развития больших оборотов вала поршни совершают очень быстрые возвратно-поступательные движения, что приводит к повышенному износу и перегреву, а также к перерасходу топлива за счет неполного сгорания и т.д. Высокооборотные двигатели не позволяют изготовлять их с большим ходом поршней, что уменьшает мощность и КПД.

Цель изобретения заключается в том, что при замене коленчатого вала в двигателе, выбранном в качестве прототипа, на зубчатый преобразователь получаются следующие преимущества.

1. Только 2 поршня связаны с одной коленчатой парой, которая непосредственно не контактирует с корпусом двигателя, что уменьшает вибрацию.

2. За 4 такта двигателя вал отбора мощности будет совершать 6 оборотов, при условии, если зубчатые колеса на коленчатой паре и на всех валах будут одинакового диаметра. Это позволит развивать большие обороты маховику, аккумулировать большое количество энергии, а большой момент инерции обеспечит двигателю уравновешенную работу. Поршни при этом будут сравнительно тихоходны, что улучшит смесеобразование и сгорание топлива. Уменьшится износ и перегрев поршневой и клапанной группы.

3. Возможность создания двигателя с большим ходом поршня, который всегда будет равен 2/3 диаметра неподвижного зубчатого венца. Это повысит мощность и КПД двигателя, что компенсирует потерю мощности вала от зубчатых передач.

4. Простота изготовления, монтажа, ремонта. Возможность замены любого узла и детали без разборки клапанно-поршневой группы. Все детали малогабаритны и недороги.

5. Постройка двигателя не требует переоснастки производства.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлено:

фиг.1 - первая коленчатая пара;

фиг.1a - вид сбоку первой коленчатой нары;

фиг.2 - вторая коленчатая пара;

фиг.3 - продольный разрез преобразователя;

фиг.4 - поперечный разрез преобразователя;

фиг.5 - разрез цапфы и зацепление зубчатых колес.

Заявленный преобразователь представляет из себя зубчатый механизм, состоящий из коленчатой пары (фиг.1, 1а), зубчатых неподвижных венцов с внутренним зацеплением, установленных в корпусе преобразователя, переднего и заднего валов отбора мощности, и промежуточного вала.

Коленчатая пара представляет из себя деталь, все элементы которой выполнены как одно целое, и состоит из щеки 1, выполненной в форме прямоугольного треугольника. Из 2-х противоположно направленных шеек 2, расположенных по обе стороны плоскости щеки, выходящих из 2-х равных углов треугольника. Оси шеек параллельны, перпендикулярны к плоскости щеки и под углом 90° расположены друг к другу, относительно центра вращения щеки. Продолжением шеек являются цапфы 3, расположенные с ними на одной оси, на которых с помощью скользящих опор 4 установлены зубчатые колеса 5 с возможностью вращения. Между шейками и цапфами расположены противовесы 6 в виде пластин, они направлены к центру вращения щеки и плоскости их параллельны плоскости щеки 1. Противовес 6, расположенный ближе к промежуточному валу 14, имеет в центре вращения штуцер 7, который связан с масляными каналами 8 коленчатой пары и служит для подвода масла к скользящим опорам.

Зубчатые неподвижные венцы 9 с внутренним зацеплением устанавливаются в корпусе 10. Их плоскости перпендикулярны осям шеек и цапф и параллельны плоскостям щеки и противовесов.

В корпусе преобразователя на скользящих опорах 11 расположены передний вал 12 отбора мощности, задний вал 13 отбора мощности с маховиком и промежуточный 14 вал. Все они соосны. На концах валов, внутри корпуса, с помощью шлицевых соединений 15 расположены зубчатые колеса 16.

Принцип работы.

Заявленный преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот работаем следующим образом.

Два рядом расположенных под углом 90° друг к другу поршня 17 соединены с верхними головками шатунов 18 при помощи пальцев 19. Нижние разъемные головки 21 шатунов присоединяются к шейкам 2 коленчатой пары. При этом поршни в цилиндрах занимают положение верхней и нижней мертвой точки. На цапфах 3 коленчатой пары на скользящих опорах 4 устанавливаются зубчатые колеса 5, которые находятся в зацеплении с зубчатыми неподвижными венцами 9 и с зубчатыми колесами 16 переднего вала 12 отбора мощности и промежуточного вала 14.

Во время рабочего хода одного из поршней шатун оказывает давление на шейку коленчатой пары, которая начинает вращаться. Зубчатые колеса 5 коленчатой пары обкатываются по зубьям зубчатых неподвижных венцов 9 и передают вращающий момент зубчатым колесам 16 переднего вала 12 отбора мощности и промежуточного 14 вала. Поршень, совершающий рабочий ход, дойдя до нижней мертвой точки, повернет коленчатую пару на 180°, другой поршень займет положение верхней мертвой точки.

Вторая коленчатая пара устанавливается с другой стороны промежуточного вала 14 и ее зубчатые колеса 5 будут находиться в зацеплении с другой парой зубчатых неподвижных венцов 9, с зубчатым колесом 16 промежуточного вала 14 и зубчатым колесом 16 заднего вала 13 отбора мощности.

Вторая коленчатая пара размещается таким образом, что углы между осями четырех шеек 2-х коленчатых пар составляют 90°. Это позволит равномерно распределить рабочий ход всех поршней.

Промежуточный вал 14 с зубчатыми колесами 16 служит для связи 2-х коленчатых пар и передачи вращающего момента от одной к другой.

Зубчатые колеса 5 коленчатой пары размещены между зубчатыми неподвижными венцами 9 и зубчатыми колесами 16 переднего вала 12 отбора мощности и промежуточного вала 14, поэтому при работе исключен перекос и заклинивание. Коленчатая пара совершает вращательные движения вокруг собственного центра вращения, а противовесы делают эти движения сбалансированными. Процесс сжатия рабочей смеси в цилиндрах будет облегчен, потому что передаточное отношение зубьев зубчатых колес и зубчатых неподвижных венцов будет составлять 1:3, а три такта двигателя (выпуск, впуск, сжатие) будут производиться за счет энергии вала отбора мощности и маховика. Имея большую частоту вращения, маховик аккумулирует большое количество энергии. Большой момент инерции маховика обеспечит равномерное движение вала отбора мощности и всей системы двигателя.

Смазка и охлаждение скользящих опор коленчатых пар осуществляется маслом, которое от масляного насоса по трубопроводу 20 подается в скользящую опору 11 промежуточного вала 14. Масло по каналу 23 через штуцеры 7, которые входят в осевые отверстия промежуточного вала и уплотняются сальниками 22, подается в масляные каналы 8 коленчатой пары. Смазка скользящих опор 11 переднего и заднего валов отбора мощности подводится трубопроводами от масляного насоса (не представлены).

Смазка зубчатых колес осуществляется разбрызгиванием масла, выходящего из скользящих опор. Вместо скользящих опор все валы могут быть установлены на роликовых или шариковых подшипниках. Но в этом случае промежуточный вал должен иметь еще и скользящую опору для подачи масла в коленчатые пары.

В процессе работы преобразователя будет иметь место выработка зубьев всех зубчатых колес. Будут увеличиваться зазоры и люфты, что не допустимо в работе двигателя.

Для устранения зазоров от выработки зубьев предусмотрены зубчатые колеса 5 на цапфах 3 коленчатых пар с гидравлическим поджимом. Для этого отверстия под скользящие опоры 4 зубчатых колес 5 выполнены не сквозными, а глухими. Зубчатые колеса 5 на цапфах 3 не зафиксированы и могут свободно смещаться по оси.

Зубчатые колеса 5 на цапфах имеют коническую форму. Конусность незначительная и направлена в сторону зубчатого неподвижного венца 9 и зубчатого колеса 16, которые имеют такую же конусность. Масляные каналы 8 на цапфах имеют выход не по радиусу, как на шейках 2, а по оси.

В процессе работы двигателя масло, выходя из каналов 8 на цапфах 3, давит на глухую стенку зубчатого колеса 5, постоянно поджимает его к зубьям зубчатого неподвижного венца 9 с внутренним зацеплением и зубчатого колеса 16, тем самым компенсируя зазор от износа зубьев. Сила прижима будет достаточно большой, так как большая площадь глухой стенки зубчатого колеса 5. Часть масла будет поступать в скользящую опору 4.

Зубчатые колеса 16 на валах также не зафиксированы от осевого смещения, так как будут прижиматься зубчатыми колесами 5 на цапфах 3. Это облегчит изготовление, монтаж и ремонт.

Изобретение относится к области транспортного машиностроения. Зубчатый преобразователь содержит корпус, цилиндры, поршни, соединенные с верхними головками шатунов пальцами, две коленчатые пары, соединенные с нижними головками шатунов, передний и задний валы отбора мощности и промежуточный вал, установленный на скользящей опоре, с зубчатыми колесами на концах. Зазоры между зубьями зубчатых колес, появляющиеся от износа зубьев, компенсируются с помощью гидравлического поджима зубчатых колес на цапфах коленчатых пар, имеющих конусность, к зубчатым колесам промежуточного, переднего и заднего валов и зубчатых венцов, имеющих такую же конусность, за счет давления масла на глухую стенку зубчатых колес на цапфах. Коленчатая пара выполнена в виде детали, не связанной с корпусом и имеющей возможность совершать вращательное движение вокруг собственного центра вращения, расположенного на одной оси с валами отбора мощности и промежуточным валом, и передавать вращающий момент валам отбора мощности. Промежуточный вал выполнен в виде детали, присоединенной к корпусу преобразователя с помощью скользящей опоры, в центре которой имеется сквозной масляный канал, соединенный радиальным отверстием с масляной полостью скользящей опоры. Узел соединения промежуточного вала с противовесом коленчатой пары состоит из штуцера и промежуточного вала с возможностью подачи масла в скользящие опоры коленчатой пары. Достигается уменьшение вибрации, улучшение смесеобразования и сгорания топлива, уменьшение износа и перегрева поршневой и клапанной группы, повышение мощности и КПД двигателя, а также упрощение при изготовлении, монтаже и ремонте за счет достижения возможности замены любого узла и детали без разборки клапанно-поршневой группы. 5 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Зубчатый преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот, содержащий корпус, цилиндры, поршни, соединенные с верхними головками шатунов пальцами, две коленчатые пары, соединенные с нижними головками шатунов, передний и задний валы отбора мощности, установленные на скользящих опорах или подшипниках качения, с зубчатыми колесами на концах, отличающийся тем, что он дополнительно содержит промежуточный вал, установленный на скользящей опоре, с зубчатыми колесами на концах, присоединенных с помощью шлицевых соединений, зубчатые неподвижные венцы с внутренним зацеплением, установленные в корпусе преобразователя, причем на цапфах коленчатых пар при помощи скользящих опор установлены зубчатые колеса с возможностью вращения переднего и заднего валов отбора мощности, одно из колес первой коленчатой пары находится в зацеплении с зубчатым колесом переднего вала отбора мощности и с зубчатым неподвижным венцом с внутренним зацеплением, а другое зубчатое колесо первой коленчатой пары находится в зацеплении с одним зубчатым колесом промежуточного вала, который через свое второе зубчатое колесо взаимодействует с одним зубчатым колесом второй коленчатой парой, при этом второе зубчатое колесо коленчатой пары взаимодействует с зубчатым колесом заднего вала отбора мощности и с зубчатым неподвижным венцом с внутренним зацеплением, а каждая коленчатая пара имеет шейки, масляные каналы и противовесы, причем за рабочий цикл одного цилиндра вал отбора мощности может совершать более двух оборотов, при этом промежуточный вал, передний и задний валы отбора мощности соосны.2. Коленчатая пара для преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот по п.1, отличающаяся тем, что представляет из себя деталь, не связанную с корпусом, имеющую возможность совершать вращательное движение вокруг собственного центра вращения, расположенного на одной оси с валами отбора мощности и промежуточным валом, и передавать вращающий момент валам отбора мощности, выполненная как одно целое, состоящая из щеки, имеющей форму прямоугольного равнобедренного треугольника, и двух противоположно направленных шеек, расположенных по обе стороны от плоскости щеки, выходящих из двух равных углов треугольника, оси шеек параллельны, перпендикулярны к плоскости щеки и расположены под углом 90° друг к другу относительно центра вращения щеки, продолжением шеек служат цапфы, расположенные с ними на одной оси, между шейками и цапфами в виде пластин расположены противовесы, направленные к центру вращения щеки, при этом коленчатая пара имеет масляные каналы.3. Промежуточный вал для преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот по п.1, отличающийся тем, что представляет из себя деталь, присоединенную к корпусу преобразователя с помощью скользящей опоры, в центре которой имеется сквозной масляный канал, соединенный радиальным отверстием с масляной полостью скользящей опоры, на концах вала на шлицах установлены зубчатые колеса, которые находятся в зацеплении с зубчатыми колесами двух коленчатых пар, обеспечивающими передачу вращающего момента от одной коленчатой пары к другой и подачу масла из своего канала в масляные каналы коленчатых пар.4. Узел соединения промежуточного вала с противовесом коленчатой пары для преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот по п.1, отличающийся тем, что состоит из штуцера, расположенного в центре вращения противовеса, находящегося ближе к промежуточному валу, входящего в масляный канал промежуточного вала, уплотненного сальником, и соединяющего масляные каналы коленчатой пары и промежуточного вала с возможностью подачи масла в скользящие опоры коленчатой пары.5. Зубчатый преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот, содержащий корпус, цилиндры, поршни, соединенные с верхними головками шатунов пальцами, две коленчатые пары, соединенные с нижними головками шатунов, передний и задний валы отбора мощности, установленные на скользящих опорах или подшипниках качения, с зубчатыми колесами на концах, отличающийся тем, что зазоры между зубьями зубчатых колес, появляющиеся от износа зубьев, компенсируются с помощью гидравлического поджима зубчатых колес на цапфах коленчатых пар, имеющих конусность, к зубчатым колесам валов, и зубчатых венцов, имеющих такую же конусность, за счет давления масла на глухую стенку зубчатых колес на цапфах, имеющих возможность смещаться по оси, при поступлении масла из каналов, расположенных по оси цапф.