ШЕСТЕРЕННЫЙ БЕСШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ С МНОГОКОЛЕНЧАТЫМ ВАЛОМ Российский патент 2014 года по МПК F16H21/18 F01B9/02 F02B75/32 

Изобретение относится к области преобразователей возвратно-поступательного движения во вращательное и может быть применено в машиностроении для изготовления многоцилиндровых поршневых двигателей и компрессоров.

Шестеренные гипоциклоидные бесшатунные преобразователи возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот, содержащие планетарную и солнечную (с удвоенным диаметром планетарной) шестерни - известны более ста лет. Среди последних (принятый за прототип) - «БЕСШАТУННЫЙ ПЛАНЕТАРНО-КРИВОШИПНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВРАЩЕНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ» RU 2441995 от 10.02.2012 г., авт. Поспелов В.Д., содержащий поршневые штоки, соединенные головками с кривошипными осями средних кривошипных валов, средний кривошипный вал, образованный двумя сателлитами, установленными на цапфах водил и скрепленными наглухо с щечками, второй кривошипный вал образованный двумя водилами с цапфами, служащими кривошипными осями среднего кривошипного вала, при этом неподвижная коронная (солнечная) шестерня с внутренним венцом гипоциклического механизма жестко крепится в корпусе и кинематически связана с сателлитами.

При достоинствах, заключенных в устранении давления поршней на боковые стенки цилиндров (что заметно, снижая износ и тех и других, повышает моторесурс) и повышении общего механического КПД устройства - эти преобразователи (включая прототип) имеют недостатки. К недостаткам, с одной стороны, следует отнести «выкрашивание зубьев» шестерен, как следствие от изменения направления момента воздействия на поршень рабочих газов (двигателя), что можно ослабить повышением количества цилиндров в единой цепи (на одном вале). С другой стороны, для повышения общей мощности (двигателя) также необходимо наращивание цилиндров по количеству. Но пространственное пересечение планетарной шестерней оси солнечной шестерни - позволяет использовать планетарные шестерни лишь на концах валов и конструировать поршневые машины с количеством в единой цепи не более 2 оппозитных цилиндров, что явно недостаточно для нейтрализации «выкрашивания зубьев». И для повышения суммарной цилиндровой мощности приходится суммировать мощности отдельных цепей (отдельных валов) с помощью дополнительного суммирующего вала, делая устройство громоздким. К недостаткам прототипа как раз и следует отнести необходимость наличия вала отбора и суммирования мощности с синхронизирующими шестернями, что заметно ослабляет и без того нежесткую конструкцию механизма, ухудшает массогабаритные характеристики.

Из уровня техники известен также «БЕСШАТУННЫЙ МОДУЛЬНЫЙ ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С СИЛОВЫМ МЕХАНИЗМОМ ЭКСЦЕНТРИКОВОГО ТИПА» RU 2212552 от 20.09.2003, содержащий вращающийся в корпусе коленчатый вал, на шатунной шейке которого размещена пара эксцентриков с разнонаправленным эксцентриситетом, и посаженые головками на шейки эксцентриков шток-поршни. К недостаткам этого бесшатунного механизма преобразования, помимо вышеизложенных, можно отнести то, что поршни для обеспечения гипоциклоидности выполняют еще и функцию ползунов, а это роднит их с бесшатунными механизмами, известными как схемы С.С.Баландина, к сожалению, так и не получивших широкого распространения по причине заклинивания двигателей, выполненным по этим схемам, из-за быстрого износа («выкрашивания» ползунов и направляющих) и нежесткости конструкции.

Целью изобретения является расширение арсенала технических средств и создание одновального бесшатунного механизма без ползунов и синхронизирующих валов с улучшенными моторесурсными параметрами.

Изобретение направлено на реализацию возможности шестеренного гипоциклоидного планетарно-кривошипного бесшатунного преобразования возвратно-поступательного движения штока поршня во вращательное движение вала (и наоборот) в поршневой машине с многоколенчатым валом, т.е. в поршневой машине с большим рядным количеством цилиндров, в котором роль вала отбора и суммирования мощности, а также роль синхронизирующего вала с шестернями - выполняет сам коленчатый вал.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что шестеренный бесшатунный механизм с многоколенчатым валом, согласно изобретению, содержит корпус и коленчатый вал, каждое звено колена которого наряду с коренной шейкой, щечкой и шатунной шейкой, содержит также большую солнечную шестерню внутреннего зацепления, среднюю солнечно-планетарную шестерню внутреннего зацепления и малую планетарную шестерню-сателлит внешнего зацепления, а также эксцентриковую втулку, с возможностью вращения на шатунной шейке, и, шток поршня, посаженный на наружную шейку эксцентриковой втулки с возможностью вращения вокруг нее, при этом солнечная шестерня жестко зафиксирована на корпусе соосно коренной шейке, солнечно-планетарная шестерня жестко зафиксирована на торце эксцентриковой втулки соосно шатунной шейке, а планетарная шестерня-сателлит размещена на щечке с противоположной от шатунной шейки стороны, с возможностью свободного вращения вокруг оси, проходящей через тело щечки и расположенной в плоскости осей шатунной и коренной шеек параллельно им между осью шатунной шейки и зеркальным к ней отражением оси коренной шейки, и с возможностью одновременного вхождения в зацепление с солнечной и солнечно-планетарной шестерней, тело коленчатого вала с планетарной шестерней-сателлитом проходит внутри солнечной шестерни и солнечно-планетарной шестерни, радиус которой равен радиусу кривошипа коленчатого вала, радиусу эксцентриситета эксцентриковой втулки и четверти диаметра солнечной шестерни.

Использование в «классическом» шестеренном гипоциклоидном преобразователе вместо планетарной шестерни внешнего зацепления, жестко закрепленной на планетарно-вращающемся кривошипном вале - солнечно-планетарной шестерни внутреннего зацепления (жестко закрепленной на вращающейся эксцентриковой втулке) и применение дополнительной планетарной шестерни-сателлита, кинематически связывающих ее внешним зацеплением с солнечно-планетарной шестерней и с солнечной шестерней, зафиксированной на корпусе, позволяет отказаться от валов синхронизации, отбора и суммирования мощности, функции которых в поршневой машине с большим рядным количеством цилиндров выполняет сам коленчатый вал.

Позвенная кинематическая связь единого цельного коленчатого вала с корпусом машины через солнечные шестерни позволяет разгрузить коленчатый вал от переменных крутильных и изгибающих нагрузок и увеличить жесткость корпуса и коленчатого вала, распределив нагрузки по их пространственной длине.

Шестеренный бесшатунный механизм с многоколенчатым валом изображен на фиг.1 (общий вид звена колена коленчатого вала в продольном разрезе) и содержит: корпус 1, коленчатый вал 2, коренную шейку 3 коленчатого вала, шатунную шейку 4 коленчатого вала, щечку 5 коленчатого вала, большую солнечную шестерню 6 внутреннего зацепления, среднюю солнечно-планетарную шестерню 7 внутреннего зацепления, малую планетарную шестерню-сателлит 8 внешнего зацепления с возможностью вращения вокруг оси 9, эксцентриковую втулку 10, шток поршня 11 с большой головкой.

Механизм работает следующим образом. При вращении в корпусе 1 коленчатого вала 2 происходит обкатывание планетарной шестерней-сателлитом 8 солнечной шестерни 6 с передачей вращения солнечно-планетарной шестерне 7, которая в свою очередь передает вращение эксцентриковой втулке 10. При этом за счет соотношения диаметров солнечной и солнечно-планетарной шестерен, за один оборот коленчатого вала эксцентриковая втулка совершит два оборота, как и в «классическом» шестеренном гипоциклоидном бесшатунном механизме, что заставляет головку штока поршня совершать прямолинейные возвратно-поступательные перемещения «без шатания».

Выбор оптимальных соотношений размеров кривошипа и диаметров коренных и шатунных шеек коленчатого вала позволит (при технологической сборке машины) без разрезания «нанизывать» на коленчатый вал солнечные, солнечно-планетарные и планетарные шестерни, а также поршневые штоки большими головками, а затем устанавливать «собранный» коленчатый вал в корпус машины на «постели» опор коренных шеек, закрепляя их крышками 12, с последующей фиксацией к корпусу 1 солнечных шестерен 6. Единственное, что нельзя установить без разрезания - эксцентриковые втулки 10, которые могут быть выполнены как вкладыши подшипников скольжения, обычно конструируемые разрезными. При этом вместо подшипников скольжения между эксцентриковыми втулками и головками поршневых штоков могут быть установлены подшипники качения 13.

Ось планетарной шестерни-сателлита, согласно изобретению, может быть выполнена в виде цапфы, являющейся частью щечки, отлитой с коленчатым валом единым телом, либо выполнена в виде цапфы жестко зафиксированной сбоку на щечке коленчатого вала, либо выполнена в виде вала, проходящего сквозь щечку и шатунную шейку коленчатого вала.

На одной шатунной шейке коленчатого вала, согласно изобретению, могут быть размещены две, с возможностью жесткого спаривания, эксцентриковые втулки с разнонаправленными эксцентриситетами, и, соответственно - по два оппозитно-спаренных поршневых штока.

Солнечная, солнечно-планетарная и планетарная шестерни, согласно изобретению, могут быть расположены на каждой щечке по разные стороны от шатунной шейки, при этом солнечные шестерни по разные стороны от шатунной шейки могут фиксироваться на корпусе с предварительным натягом вращения в противоположных направлениях для исключения люфтов в зубчатых зацеплениях, что заметно снизит уровень фактора «выкрашивания» зубьев.

Во избежание заклинивания механизма при значительных неточностях соблюдения размеров радиуса кривошипов коленчатого вала и эксцентриситетов эксцентриковых втулок на стадии изготовления или в результате износа деталей - штоки могут быть выполнены как шатуны (с малой амплитудой «шатания»), при этом размер эксцентриситета эксцентриковой втулки может быть равен, меньше или больше размера радиуса кривошипа коленчатого вала, который в свою очередь может быть равен, меньше или больше размера радиуса солнечно-планетарной шестерни при обязательном соотношении ее передаточного числа к солнечной шестерне 2/1.

Техническим результатом изобретения является повышение жесткости конструкции устройства, увеличение его долговечности и моторесурса.

Шестеренный бесшатунный механизм с многоколенчатым валом может быть использован в двигателестроении мощных многорядных многоцилиндровых двигателей с внешним подводом теплоты (внешнего сгорания), например, стирлинговых двигателей, для надводных судов, подводных лодок, магистральных железнодорожных тепловозов, большегрузных тягачей и карьерных самосвалов.

Изобретение относится к механизмам преобразования прямолинейного движения поршня во вращение вала. Бесшатунный механизм содержит корпус и многоколенчатый вал, каждое звено колена которого наряду с коренной шейкой, щечкой и шатунной шейкой содержит солнечную шестерню, солнечно-планетарную шестерню и планетарную шестерню-сателлит. а также эксцентриковую втулку, с возможностью вращения на шатунной шейке, и шток поршня. Солнечная шестерня жестко зафиксирована на корпусе, солнечно-планетарная шестерня жестко зафиксирована на торце эксцентриковой втулки, а планетарная шестерня-сателлит размещена на щечке с возможностью свободного вращения и одновременного вхождения в зацепление с солнечной и солнечно-планетарной шестерней. Тело коленчатого вала с планетарными шестернями-сателлитами проходит внутри солнечных шестерен и солнечно-планетарных шестерен. При этом радиусы последних равны радиусу кривошипа коленчатого вала, радиусу эксцентриситета эксцентриковой втулки и четверти диаметра солнечной шестерни. Достигается повышение жесткости конструкции устройства, увеличение его долговечности и моторесурса. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Шестеренный бесшатунный механизм с многоколенчатым валом, характеризующийся тем, что содержит корпус и коленчатый вал, каждое звено колена которого наряду с коренной шейкой, щечкой и шатунной шейкой содержит также большую солнечную шестерню внутреннего зацепления, среднюю солнечно-планетарную шестерню внутреннего зацепления и малую планетарную шестерню-сателлит внешнего зацепления, а также эксцентриковую втулку с возможностью вращения на шатунной шейке, и шток поршня, посаженный на наружную шейку эксцентриковой втулки с возможностью вращения вокруг нее, при этом солнечная шестерня жестко зафиксирована на корпусе соосно коренной шейке, солнечно-планетарная шестерня жестко зафиксирована на торце эксцентриковой втулки соосно шатунной шейке, а планетарная шестерня-сателлит размещена на щечке с противоположной от шатунной шейки стороны, с возможностью свободного вращения вокруг оси, проходящей через тело щечки и расположенной в плоскости осей шатунной и коренной шеек параллельно им между осью шатунной шейки и зеркальным к ней отражением оси коренной шейки, и с возможностью одновременного вхождения в зацепление с солнечной и солнечно-планетарной шестерней, тело коленчатого вала с планетарной шестерней-сателлитом проходит внутри солнечной шестерни и солнечно-планетарной шестерни, радиус которой равен радиусу кривошипа коленчатого вала, радиусу эксцентриситета эксцентриковой втулки и четверти диаметра солнечной шестерни.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ось планетарной шестерни-сателлита выполнена в виде цапфы, являющейся частью щечки, отлитой с коленчатым валом единым телом.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ось планетарной шестерни-сателлита выполнена в виде цапфы, жестко зафиксированной сбоку на щечке коленчатого вала.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ось планетарной шестерни-сателлита выполнена в виде вала, проходящего сквозь щечку и шатунную шейку коленчатого вала.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что эксцентриковая втулка выполнена в виде разрезного вкладыша-подшипника скольжения.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на одной шатунной шейке коленчатого вала размещены две жестко спаренные эксцентриковые втулки с разнонаправленными эксцентриситетами, и по два оппозитных поршневых штока на каждой втулке.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что солнечная шестерня, солнечно-планетарная шестерня и планетарная шестерня-сателлит расположены на каждой щечке коленчатого вала по разные стороны от шатунной шейки.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что солнечные шестерни по разные стороны от шатунной шейки зафиксированы на корпусе с предварительным натягом вращения в противоположных направлениях.