Овал-ромбический механизм, устройство для преобразования возвратно-поступательного движения в вращательное движение и вращательного движения в возвратно-поступательное движение Российский патент 2023 года по МПК F16H25/14 F02B75/32 

Устройство предназначено для использования в поршневых машинах, в двигателях внутреннего и внешнего сгорания, компрессорах, насосах и т.д.

Из предшествующего уровня техники известно множество устройств для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и обратно. Основное отличие заявленного устройства заключается в возможности формирования задержки движения поршня в верхней и нижней мертвой точке (зависания) при непрерывном вращении вала. Устройство обеспечивает, в частности для двигателей внутреннего сгорания, возможности более эффективного использования энергии сгорания топлива за счет увеличения времени протекания фазы сгорания топлива при неизменном объеме сжатой топливно-воздушной смеси. Так же дополнительным преимуществом является отсутствие тангенциальных сил взаимодействия стенок цилиндра и поршня поскольку конструкция устройства позволяет обеспечить перемещение штока поршня в перпендикулярном направлении относительно оси вращения вала без изменения угла наклона.

Механизм построен на взаимодействии симметричной профильной поверхности маховика, имеющего форму приближенную к овалу, размещенного на валу, с четырьмя группами роликов в составе четырех возвратно-поступательных элементов последовательно соединенных между собой жесткими связями -тягами, с двух сторон от боковых поверхностей роликов, в динамичную конструкцию в форме ромба с этими роликами в вершинах. Основными элементами механизма являются четыре возвратно-поступательных элемента, соединенные друг с другом тягами в динамичную ромбическую конструкцию и вращательный элемент с профильной поверхностью приближенной к овалу выполняющий так же функцию маховика. Благодаря жестким тягам возвратно-поступательные элементы взаимно ограничивают перемещения друг друга, обеспечивая безотрывное качение роликов по расчетной профильной поверхности маховика. Применение нескольких равных профильных маховиков с противоположным вращением, реализующим взаимодействие с роликами возвратно-поступательных элементов по принципу "ножниц", а далее синхронизированных в однонаправленное вращение с валом коническими шестеренчатыми передачами, а в больших механизмах с помощью цилиндрических шестерен, позволяет обеспечить перемещение штока поршня в перпендикулярном оси вращения вала направлении без смещения оси перемещения штока поршня, а следовательно без сильного трения поршня о стенки цилиндра.

Располагая на профильной поверхности в верхних и нижних мертвых точках участки неизменного радиуса и пропорциональной длины, соответствующей заданному углу поворота вала, обеспечивается задержка перемещения возвратно-поступательных элементов на время поворота вала на этот заданный угол.

Изобретение поясняется рисунками которые не охватывают и, тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая исполнения механизма. Корпус и опоры маленьких шестерен не показаны.

Рис. 1: - Основные элементы преобразования возвратно-поступательного движения в вращательное и вращательного в возвратно-поступательное

Рис. 2: - Разрез возвратно-поступательного элемента

Рис. 3: - Маховик с участками неизменного радиуса

Рис. 4: - Вид с торца механизма

Рис. 5: - Вид сбоку

Рис. 6: - Изометрический вид механизма четырехцилиндрового двигателя

Основные элементы преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот вращательного движения в возвратно-поступательное представлены на рис. 1. Каждый возвратно-поступательный элемент 1 через втулки соединяется с соседними возвратно-поступательными элементами жесткими тягами 4, образуя подвижную ромбическую конструкцию. Вращательный элемент представляет из себя вал 2 с симметричным профильным маховиком 3 в форме, приближенной к овалу.

Принцип работы механизма (при условии что возвратно-поступательные элементы ограничены направлением перемещения в перпендикулярном оси вращения вала направлении): - пара противолежащих возвратно-поступательных элементов 1,под действием силы, например давления расширяющихся газов, начиная движение к оси вращения вала, через тяги 4 толкают соседние возвратно-поступательные элементы 1 от оси вращения вала, при этом воздействуя контактными роликами на профильную поверхность маховика 3, которая во всех точках профиля, кроме верхней и нижней мертвой точках, имеет угол контакта отличный от 90°, приводит последний в движение (вращение). При достижении нижних точек профильной поверхности маховика направление движения этих элементов меняется. В исполнении механизма четырехцилиндрового двигателя сила прикладывается к другой паре возвратно-поступательных элементов и процесс повторяется, приводя к преобразованию возвратно-поступательного движения в вращательное. В исполнении механизма двухцилиндрового двигателя достигнув нижних точек поверхности профиля маховика 3 эти противолежащие возвратно-поступательные элементы так же меняют направление своего движения на противоположное, так как маховик 3, двигаясь по инерции, своим профилем начинает толкать контактные ролики в направлении от оси вращения вала 2, другая пара противолежащих возвратно-поступательных элементов 1, поскольку связана тягами 4 с первой парой, так же меняет свое движение на противоположное. Достигнув верхних точек профильной поверхности возвратно-поступательные элементы, поскольку связаны тягами с соседними элементами и ограничены ими в перемещении, меняют направление своего движения на противоположное и под действием сил расширяющихся газов продолжают движение. Цикл повторяется. Каждый из возвратно-поступательных элементов 1 состоит из пальца 5(рис. 2),

с закрепленными на нем контактными роликами 6,штока поршня 8 (или без него, в зависимости от количества поршней в двигателе) и двух пар втулок 7 для установки тяг 4 расположенными с двух сторон от группы роликов 6.

Поскольку возвратно-поступательные элементы создают ограниченную область, в которой двигается профильный маховик вращательного элемента при безотрывном движении роликов по его профильной поверхности, то формой профиля этого овала можно формировать непостоянное перемещение возвратно-поступательных элементов с задержкой движения в верхних и нижних точках. Так, располагая на профильной поверхности маховика в верхних и нижних точках профиля симметричные, относительно оси вращения, участки с неизменным радиусом в этих точках, но пропорциональными длинами, равными заданному углу поворота вала (рис. 3), обеспечивается задержка движения возвратно-поступательных элементов на время поворота вала на заданный угол, при непрерывном вращении вала маховика.

Непосредственно сам механизм представлен на рис. 4, 5, 6. Для формирования направленного перпендикулярно оси вращения вала движения возвратно-поступательных элементов применяется по меньшей мере четыре маховика разнонаправленного вращения, взаимодействующих с контактными роликами возвратно-поступательных элементов по принципу ножниц (рис. 4), крайние из которых, имеющие на внешней боковой поверхности по оси вращения конические или цилиндрические шестерни, устанавливаются на подшипники качения или скольжения на валу и при помощи конических или цилиндрических шестерен связываются через корпус устройства с валом противоположным вращением одновременно синхронизируясь друг с другом, а средние маховики жестко, неподвижно устанавливаются на вал. Маховики на валу располагаются внутри ограниченной области ромбической конструкции, где каждый маховик контактирует с соответствующим роликом возвратно-поступательного элемента, а сам вал устанавливается на подшипниках в корпусе устройства (рис. 5-6, опоры маленьких шестерен и корпус с подшипниками не показаны).

Основное преимущество заявленного механизма заключается в возможности формирования задержки движения поршня в верхней и нижней мертвой точке в плоть до 45° угла поворота вала, что позволяет строить двигатели с более эффективным термодинамическим циклом. Отсутствие бокового воздействия поршня на стенки цилиндра значительно снижает потери на трение.

Изобретение может быть использовано в поршневых машинах, в двигателях внутреннего и внешнего сгорания, компрессорах и насосах. Овал-ромбический механизм представляет из себя устройство для преобразования возвратно-поступательного движения в вращательное движение и вращательного движения в возвратно-поступательное движение. Механизм имеет четыре возвратно-поступательных элемента (1), последовательно соединенных друг с другом парами подвижных, жестких тяг (4) в конструкцию в форме ромба, в вершинах которого располагаются контактные ролики возвратно-поступательных элементов (1). Конструкция в форме ромба образует ограниченную область, внутри которой на подшипниках, закрепленных в корпусе устройства, располагается вал (2) с парой синхронизирующих конических или цилиндрических шестерен и маховиками (3) между ними. Маховики (3) имеют симметричную профильную поверхность в форме, приближенной к овалу, обеспечивающую постоянный контакт рабочей, профильной поверхности маховиков (3) одновременно со всеми роликами ромбовой конструкции на всех углах поворота вала (2). Крайние маховики (3), установленные на вал (2) на подшипниках качения или скольжения, имеют на своей внешней боковой поверхности шестерни, аналогичные шестерням вала, синхронно вращаются в противоположном направлении к вращению вала и жестко закрепленным на нем средним маховикам. Крайние маховики (3) через корпус устройства связаны с валом (2) обратным вращением посредством конических или цилиндрических шестеренчатых передач, обеспечивая, через группу роликов возвратно-поступательных элементов (1), по принципу "ножниц" строго перпендикулярное оси вращение вала (2) перемещение этих возвратно-поступательных элементов (1). Технический результат заключается в обеспечении задержки движения возвратно-поступательных элементов на время поворота вала на заданный угол и в снижении потерь на трение. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Овал-ромбический механизм, представляющий из себя устройство для преобразования возвратно-поступательного движения в вращательное движение и вращательного движения в возвратно-поступательное движение, характеризующийся тем, что имеет четыре возвратно-поступательных элемента, последовательно соединенных друг с другом парами подвижных, жестких тяг в конструкцию в форме ромба, в вершинах которого располагаются контактные ролики возвратно-поступательных элементов, образуя ограниченную область, внутри которой на подшипниках, закрепленных в корпусе устройства, располагается вал с парой синхронизирующих конических или цилиндрических шестерен и маховиками между ними, имеющими симметричную профильную поверхность в форме, приближенной к овалу, обеспечивающей постоянный контакт рабочей, профильной поверхности маховиков одновременно со всеми роликами ромбовой конструкции на всех углах поворота вала, при этом крайние маховики, установленные на вал на подшипники качения или скольжения, имея на своей внешней боковой поверхности шестерни, аналогичные шестерням вала, синхронно вращаются в противоположном направлении к вращению вала и жестко закрепленным на нем средним маховикам, так как через корпус устройства связаны с валом обратным вращением посредством конических или цилиндрических шестеренчатых передач, обеспечивая, через группу роликов возвратно-поступательных элементов, по принципу "ножниц" строго перпендикулярное оси вращение вала перемещение этих возвратно-поступательных элементов.

2. Овал-ромбический механизм по п. 1, отличающийся тем, что профильная поверхность маховика, в верхних и нижних точках рабочей поверхности профиля, содержит участки неизменного радиуса и с пропорциональными длинами, соответствующими заданному углу поворота вала, проходя по которым ролики не перемещают возвратно-поступательные элементы, создавая тем самым задержку в перемещении возвратно-поступательных элементов при постоянном перемещении или вращении вала.