АСИНХРОННЫЙ ЗУБЧАТЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ВО ВРАЩАТЕЛЬНОЕ И НАОБОРОТ, ПЕРЕДНЯЯ КОЛЕНЧАТАЯ ПАРА, ЗАДНЯЯ КОЛЕНЧАТАЯ ПАРА, ПРОМЕЖУТОЧНОЕ ЗУБЧАТОЕ КОЛЕСО И ОПОРНОЕ ЗУБЧАТОЕ КОЛЕСО ДЛЯ НЕГО Российский патент 2009 года по МПК F02B75/32 F16H21/16 F02B57/00 F16H35/18 

Предлагаемое изобретение относится к области транспортного машиностроения, в частности к поршневым машинам, 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, переработка и дополнение. М: Машиностроение, 1973, стр.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 изготавливают 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 изготавливать 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 асинхронный зубчатый преобразователь получаются следующие преимущества:

1. Только 2 поршня связанны с одной коленчатой парой, одна из которых непосредственно не контактирует с корпусом двигателя, а другая связанна с ним только одной скользящей опорой, что уменьшает вибрацию.

2. За 4 такта двигателя передний вал отбора мощности будет совершать 2 оборота, что достаточно для привода клапанной группы, помпы и генератора, а задний вал отбора мощности за 4 такта будет совершать 6 оборотов, при условии, если зубчатые колеса на коленчатой паре, заднем вале отбора мощности и промежуточное зубчатое колесо 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 зубчатого неподвижного венца с внутренним зацеплением. 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 не дороги.

5. Постройка двигателя не требует переоснастки производства.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлено:

Фигуры 1-3 - передняя коленчатая пара (в 3-х проекциях);

Фигуры 4-6 - задняя коленчатая пара (в 3-х проекциях);

Фигура 7 - продольный разрез преобразователя;

Фигура 8 - поперечный разрез преобразователя.

Заявленный асинхронный зубчатый преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот представляет из себя зубчатый механизм, состоящий из передней коленчатой пары (Фигуры 1-3), составляющей с передним валом отбора мощности одно целое, задней коленчатой пары (Фигуры 4-6), зубчатых неподвижных венцов с внутренним зацеплением, установленных в корпусе преобразователя, заднего вала отбора мощности, промежуточного зубчатого колеса и опорного зубчатого колеса (Фигуры 7, 8).

Передняя коленчатая пара (Фигуры 1-3) представляет из себя деталь, все элементы которой выполнены как одно целое, и состоит из 2-х щек, одна из которых 1 выполнена в форме прямоугольного, равнобедренного треугольника, из 2-х противоположно направленных шеек 2, расположенных по обе стороны плоскости щеки, выходящих из 2-х равных углов треугольника. Продолжением одной из шеек является цапфа 3, расположенная с ней на одной оси, на которой с помощью скользящей опоры 4 установлено зубчатое колесо 5 с возможностью вращения. Между шейкой и цапфой расположен разделительный бурт 6. Вторая шейка 2 расположена между 2-х щек. Вторая щека 7 выполнена в форме прямоугольника и направлена к центру вращения коленчатой пары, где на ее конце расположен передний вал отбора мощности, состоящий из коренной шейки 8 и цапфы 9, для установки привода клапанной группы. Ось вала перпендикулярна плоскости щеки. Каждая щека имеет противовесы 10, выполненные в виде пластин, находящиеся с ними в одной плоскости. Оси шеек параллельны, перпендикулярны плоскостям щек и под углом 90° расположены друг к другу относительно центра вращения щек. Коленчатая пара имеет масляные каналы 11, соединенные радиальным отверстием 12, на коренной шейке 8, с масляной полостью 13 коренной скользящей опоры 14. Каналы служат для подвода масла к скользящим опорам коленчатой пары.

Задняя коленчатая пара (Фигуры 4-6) представляет из себя деталь, все элементы которой выполнены как одно целое, и состоит из щеки 15, выполненной в форме прямоугольного, равнобедренного треугольника, из 2-х противоположно направленных шеек 16, расположенных по обе стороны плоскости щеки, выходящих из 2-х равных углов треугольника. Оси шеек параллельны, перпендикулярны плоскости щеки и под углом 90° расположены друг к другу относительно центра вращения щеки. Продолжением шеек являются цапфы 17, расположенные с ними на одной оси, на которых с помощью скользящих опор 18 установлены зубчатые колеса 19 с возможностью вращения (Фигура 7). Между шейками и цапфами расположены противовесы 20 в виде пластин, они направлены к центру вращения щеки, и плоскости их параллельны плоскости щеки 15. Противовес 20, расположенный ближе к заднему валу 21 отбора мощности, имеет в центре вращения штуцер 22, который связан с масляными каналами 23 коленчатой пары и служит для подвода масла к скользящим опорам. Противовес, расположенный ближе к промежуточному зубчатому колесу 34, в центре вращения имеет монтажное отверстие 24.

Зубчатые неподвижные венцы 25 с внутренним зацеплением устанавливаются в корпусе 26, их плоскости перпендикулярны осям шеек и цапф и параллельны плоскостям щек и противовесов.

В корпусе преобразователя на скользящей опоре 27 расположен задний вал 21 отбора мощности с маховиком (маховик на чертеже не представлен) на внешней стороне и с зубчатым колесом 28 на внутренней стороне, установленным с помощью шлицевого соединения 29. Зубчатое колесо 28 имеет реборду, расположенную на ближней к корпусу преобразователя плоскости, которая удерживает в заданной плоскости зубчатое колесо 28, вала 21 отбора мощности и находящееся с ним в зацеплении зубчатое колесо 19 коленчатой пары. На коренной шейке заднего вала 21 отбора мощности имеется радиальное отверстие 30, соединяющее масляную полость 31 скользящей опоры 27 с осевым отверстием 32, где расположен сальник 33, уплотняющий штуцер 22.

Между передней и задней коленчатыми парами расположено промежуточное зубчатое колесо 34, оно не связано с корпусом преобразователя и находится на одной оси с передним и задним валами отбора мощности. К обеим плоскостям промежуточного зубчатого колеса 34 прилегают реборды 35, зафиксированные в центре зубчатого колеса 34 при помощи крепежных деталей 36. Реборды 35 предотвращают смещение по оси промежуточного зубчатого колеса и всех зубчатых колес, которые находятся с ним во взаимодействии.

Опорное зубчатое колесо 37 расположено в плоскости промежуточного зубчатого колеса 34 и находится в зацеплении с ним и зубчатым неподвижным венцом 25 с внутренним зацеплением. Его роль - обеспечить положение промежуточного зубчатого колеса 34 на оси переднего и заднего валов отбора мощности.

Принцип работы

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

Два рядом расположенных под углом 90 друг к другу поршня соединены с верхними головками шатунов при помощи пальцев. Нижние разъемные головки шатунов (на чертеже не представлены) присоединяются к шейкам передней коленчатой пары. При этом поршни в цилиндрах занимают положение верхней и нижней мертвой точки. На цапфе 3 передней коленчатой пары, на скользящей опоре 4, устанавливается зубчатое колесо 5, которое находится в зацеплении с зубчатым неподвижным венцом 25 с внутренним зацеплением и с промежуточным зубчатым колесом 34. Во время рабочего хода одного из поршней шатун оказывает давление на шейку коленчатой пары, которая начинает вращаться вместе с передним валом отбора мощности. Зубчатое колесо 5 коленчатой пары обкатывается по зубьям зубчатого неподвижного венца 25 с внутренним зацеплением и передает вращающий момент промежуточному зубчатому колесу 34. Поршень, совершающий рабочий ход, дойдя до нижней мертвой точки, повернет коленчатую пару на 180°, другой поршень займет положение верхней мертвой точки.

Задняя коленчатая пара устанавливается с другой стороны промежуточного зубчатого колеса 34, ее шейки соединены с шатунами 2-х других поршней, и одно ее зубчатое колесо 19 будет находиться в зацеплении с зубчатым неподвижным венцом 25 с внутренним зацеплением, с которым также взаимодействует зубчатое колесо 5 передней коленчатой пары, и промежуточным зубчатым колесом 34. Второе зубчатое колесо 19 задней коленчатой пары будет находиться в зацеплении с другим зубчатым неподвижным венцом 25 с внутренним зацеплением и с зубчатым колесом 28 заднего вала 21 отбора мощности.

Коленчатые пары размещаются таким образом, что углы между осями четырех шеек 2-х коленчатых пар составляют 90°. Это позволяет равномерно распределить рабочий ход всех 4-х поршней.

Промежуточное зубчатое колесо 34 служит для связи 2-х коленчатых пар и передачи вращающего момента от одной к другой.

Зубчатые колеса 19 задней коленчатой пары размещены между зубчатыми неподвижными венцами 25 с внутренним зацеплением, промежуточным зубчатым колесом 34 и зубчатым колесом 28 заднего вала 21 отбора мощности. Передний вал 8 отбора мощности передней коленчатой пары установлен в корпусе 26 преобразователя на скользящей опоре 14, а зубчатое колесо 5 размещено между зубчатым неподвижным венцом 25 с внутренним зацеплением и промежуточным зубчатым колесом 34. Поэтому при работе исключен перекос и заклинивание.

Для того чтобы промежуточное зубчатое колесо 34 находилось на оси переднего и заднего валов отбора мощности, оно установлено на опорное зубчатое колесо 37, которое находится в зацеплении с зубчатым неподвижным венцом 25 с внутренним зацеплением, а углы между осями опорного зубчатого колеса 37 и 2-х зубчатых колес, находящихся во взаимодействии с промежуточным зубчатым колесом 34, составляют по 135° относительно оси промежуточного зубчатого колеса. Промежуточное зубчатое колесо 34 передает вращающий момент опорному зубчатому колесу 37, которое будет обкатываться по зубчатому неподвижному венцу 25 с внутренним зацеплением.

Для простоты изготовления и монтажа зубчатые колеса на цапфах 2-х коленчатых пар не зафиксированы от сдвига по оси, поэтому во избежание такого сдвига на промежуточном зубчатом колесе 34 установлены реборды 35, расположенные по обе плоскости колеса. Они выполнены в виде тарелок и зафиксированы в центре вращения промежуточного зубчатого колеса 34 при помощи крепежных деталей 36.

Коленчатые пары совершают 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 с внутренним зацеплением 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 передней коленчатой пары осуществляется маслом, которое по трубопроводу подается от масляного насоса в скользящую опору 14 коренной шейки 8. Из масляной полости 13, через радиальное отверстие 12, оно поступает в масляные каналы 11 коленчатой пары.

Смазка и охлаждение скользящих опор задней коленчатой пары осуществляется маслом, которое от масляного насоса по трубопроводу подается в скользящую опору 27, заднего вала 21 отбора мощности. Из масляной полости 31, через радиальное отверстие 30, оно подается в осевое отверстие 32 вала отбора мощности, где через штуцер 22, расположенный на противовесе 20 и уплотненный сальником 33, поступает в масляные каналы 23 задней коленчатой пары.

Смазка и охлаждение зубьев зубчатых колес преобразователя осуществляется разбрызгиванием масла, выходящего из скользящих опор.

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, в частности к поршневым машинам, может применяться в поршневых двигателях внутреннего сгорания, в компрессорах и насосах. Асинхронный зубчатый преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот содержит корпус (26), цилиндры, поршни, переднюю и заднюю коленчатые пары, передний и задний (21) валы отбора мощности, зубчатое колесо заднего вала (28), промежуточное зубчатое колесо (34), опорное зубчатое колесо (37), зубчатые неподвижные венцы с внутренним зацеплением (25), зубчатые колеса (5, 19). Передний вал отбора мощности выполнен с передней коленчатой парой как одно целое. Промежуточное зубчатое колесо, передний и задний валы отбора мощности соосны. Промежуточное зубчатое колесо (34) поддерживается на оси опорным зубчатым колесом (37). Зубчатое колесо передней коленчатой пары (5) находится в зацеплении с зубчатым неподвижным венцом (25) и промежуточным зубчатым колесом (34), которое взаимодействует с одним зубчатым колесом задней коленчатой пары (19). Второе зубчатое колесо задней коленчатой пары взаимодействует с зубчатым колесом (28) заднего вала отбора мощности (21) и с зубчатым неподвижным венцом (25). За рабочий цикл одного цилиндра передний вал отбора мощности может совершать два оборота, а задний вал отбора мощности имеет возможность совершать более двух оборотов. Также в изобретении раскрыты: передняя коленчатая пара, задняя коленчатая пара, промежуточное зубчатое колесо, опорное зубчатое колесо. Технический результат заключается в уменьшении вибрации, увеличении оборотов маховика, возможности создания двигателя с большим ходом поршня, упрощении монтажа клапанно-поршневой группы. 5 н.п.ф-лы, 8 ил.

1. Асинхронный 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, причем задний вал на внутреннем конце имеет зубчатое колесо, установленное на шлицах, отличающийся тем, что он дополнительно содержит промежуточное зубчатое колесо, не связанное с корпусом, поддерживаемое на оси переднего и заднего валов отбора мощности опорным зубчатым колесом, зубчатые неподвижные венцы с внутренним зацеплением, установленные в корпусе преобразователя перпендикулярно осям шеек и цапф, а на цапфах коленчатых пар при помощи скользящих опор установлены зубчатые колеса с возможностью вращения переднего и заднего валов отбора мощности, причем передний вал отбора мощности выполнен с передней коленчатой парой как одно целое, а зубчатое колесо передней коленчатой пары находится в зацеплении с зубчатым неподвижным венцом с внутренним зацеплением и промежуточным зубчатым колесом, которое взаимодействует с одним зубчатым колесом задней коленчатой пары, 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 передний вал отбора мощности может совершать два оборота, а задний вал отбора мощности имеет возможность совершать более двух оборотов, при этом промежуточное зубчатое колесо, передний и задний валы отбора мощности сосны.

2. Передняя коленчатая пара для асинхронного зубчатого преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот по п.1, отличающаяся тем, что представляет из себя деталь, связанную с корпусом скользящей опорой, имеющая возможность совершать вращательное движение вокруг собственного центра вращения, расположенного на одной оси с валами отбора мощности и промежуточного зубчатого колеса, и передавать вращающий момент валам отбора мощности, выполненная как одно целое, состоящая из 2-х параллельных щек, одна из которых имеет форму прямоугольного равнобедренного треугольника, и двух противоположно направленных шеек, расположенных по обе стороны плоскости щеки, выходящих из двух равных углов треугольника, продолжением одной из шеек служит цапфа, расположенная с ней на одной оси, между шейкой и цапфой имеется бурт, другая шейка расположена между 2-х щек, вторая из которых выполнена в форме прямоугольника и направлена к центру вращения коленчатой пары, где на ее конце перпендикулярно плоскости щеки расположен передний вал отбора мощности, состоящий из коренной шейки и цапфы, каждая щека имеет противовесы в виде пластин, находящиеся с ними в одной плоскости, оси шеек параллельны, перпендикулярны к плоскостям щек и расположены под углом 90° друг к другу относительно центра вращения щек, при этом коленчатая пара имеет масляные каналы, соединенные радиальным отверстием на коренной шейке с масляной полостью скользящей опоры.

3. Задняя коленчатая пара для асинхронного зубчатого 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 промежуточного зубчатого колеса 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 плоскости щеки, выходящих из двух равных углов треугольника, оси шеек параллельны, перпендикулярны 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, причем противовес, расположенный ближе к промежуточному зубчатому колесу, в центре вращения имеет монтажное отверстие, при этом коленчатая пара имеет масляные каналы, соединенные штуцером, расположенным в центре вращения противовеса, находящегося ближе к заднему валу отбора мощности, входящим в масляный канал вала и уплотненного сальником, с масляной полостью коренной скользящей опоры заднего вала отбора мощности.

4. Промежуточное зубчатое колесо для асинхронного зубчатого преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот по п.1, отличающееся тем, что представляет из себя деталь, не связанную с корпусом преобразователя, находящееся в зацеплении с зубчатыми колесами двух коленчатых пар и опорным зубчатым колесом и обеспечивающее передачу вращающего момента от одной коленчатой пары к другой, а по обе плоскости промежуточного зубчатого колеса присоединены реборды, зафиксированные в центре промежуточного зубчатого колеса при помощи крепежных деталей.

5. Опорное зубчатое колесо для асинхронного зубчатого преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот по п.1, отличающееся тем, что представляет из себя деталь, не связанную с корпусом преобразователя, находящееся в зацеплении с промежуточным зубчатым колесом и зубчатым неподвижным венцом с внутренним зацеплением, а углы между осями опорного зубчатого колеса и зубчатых колес 2-х коленчатых пар, находящихся во взаимодействии с промежуточным зубчатым колесом, составляют 135° относительно оси промежуточного зубчатого колеса.