Бесшатунный двигатель Российский патент 2025 года по МПК F16H21/36 

[01] Область техники

[02] Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к бесшатунным двигателям внутреннего сгорания.

[03] Уровень техники

[04] Бесшатунный двигатель - это поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором схема передачи движения на коленчатый вал реализуется без создания бокового давлению на стенку цилиндра. Как правило, в таких двигателях вместо шатуна используется шток, жестко связанный с соосным штоком.

[05] Наиболее близким аналогом изобретения является бесшатунный двигатель, раскрытый в патенте РФ RU 2398121, 27.08.2010. Двигатель содержит: корпус, цилиндры, поршни со штоками, установленные с возможностью поступательного перемещения выходной вал и шестеренчатый механизм преобразования движения поршня. Шестеренчатый механизм содержит: коронную шестерню внутреннего зацепления, закрепленную неподвижно в корпусе, сдвоенную приводную шестерню внешнего зацепления, закрепленную эксцентрично на штоке цилиндра и размещенную эксцентрично относительно коронной шестерни, первую сателлитную шестерню внешнего зацепления, находящуюся в зацеплении с приводной шестерней, вторую сдвоенную сателлитную шестерню внешнего зацепления, размещенную эксцентрично относительно коронной шестерни, находящуюся в зацеплении с первой сателлитной шестерней и с коронной шестерней, водило, жестко соединяющее оси приводной, первой и второй сателлитных шестерней, и связанное с выходным валом.

[06] Использование сдвоенных шестерней в рассматриваемом аналоге приводит к тому, что области зацепления находятся в разных плоскостях, что увеличивает давление на зубья венца. В аналоге так же жестко задано передаточное число сдвоенной приводной шестерни: 2/3. Наличие такой шестерни приводит к уменьшению количества зубьев шестерни относительно коронной шестерни. Следовательно, уменьшается радиус приводной шестерни, это приводит к увеличению момента на зубьях шестерни и значительно снижает эффект от разгрузки шестерен и снижение давления на зубья, достигаемый за счет применения двух сателлитных шестерней.

[07] Таким образом, основной технической проблемой, решаемой в заявленном изобретении, является повышенная нагрузка на зубья шестеренчатого механизма, осуществляющего преобразование поступательного перемещения поршня во вращательное движение вала.

[08] Раскрытие сущности изобретения

[09] Техническим результатом изобретения является снижение нагрузки на зубья шестерен механизма преобразования поступательного движения во вращательное, уменьшение требований к материалам шестерен и точности их изготовления без ухудшения рабочих характеристик. Дополнительными техническими результатами являются обеспечение организации привода газораспределительного механизма от центрального вала, обеспечение возможности принудительной продувки цилиндров.

[010] Указанный технический результат достигается в заявленном изобретении за счет того, что бесшатунный двигатель включает корпус, цилиндры, поршни, размещенные в цилиндрах и жестко закрепленные на штоках с возможностью поступательного перемещения, выходной вал и по меньшей мере один механизм преобразования поступательного движения поршней во вращательное движение выходного вала. Указанный механизм преобразования включает: коронную шестерню внутреннего зацепления, закрепленную неподвижно в корпусе; приводную шестерню, прикрепленную к штоку с возможностью эксцентричного вращения и размещенную эксцентрично внутри коронной шестерни в ее плоскости, причем приводная шестерня имеет в два раза меньше зубьев, чем коронная шестерня; по меньшей мере одну первую сателлитную шестерню внешнего зацепления, размещенную внутри коронной шестерни в ее плоскости, находящуюся в зацеплении с приводной шестерней; по меньшей мере одну вторую сателлитную шестерню внешнего зацепления, размещенную внутри коронной шестерни в ее плоскости на противоположной относительно центра приводной шестерни стороне и находящуюся в зацеплении с первой сателлитной шестерней и с коронной шестерней; водило, соединяющее оси первой и второй сателлитных шестерней, и распределительную шестерню, размещенную на центральном валу, жестко соединенную с водилом и находящуюся в зацеплении с шестерней выходного вала.

[011] Указанный результат также достигается в частных вариантах реализации изобретения за счет того, что:

[012] - двигатель содержит два размещенных друг напротив друга цилиндра с поршнями, штоки которых жестко соосно связаны, а также два указанных механизма преобразования, размещенных с двух сторон относительно оси штоков;

[013] - двигатель дополнительно содержит механизм газораспределения, содержащий золотниковые клапаны, размещенные в нижней части цилиндров, и приводной механизм для вращения золотниковых клапанов, связанный с центральным валом;

[014] - приводной механизм для вращения золотниковых клапанов содержит центральную шестерню, установленную на центральном валу, промежуточные шестерни, находящиеся в зацеплении с центральной шестерней, и золотниковые шестерни, жестко связанные с золотниковыми клапанами;

[015] - цилиндры включают размещенное под поршнем компрессорное пространство для принудительной продувки цилиндра.

[016] В рассматриваемом решении применяется шестеренчатый редуктор (механизм преобразования), который будет предъявлять меньшие требования к материалам шестерен и точности их изготовления без ухудшения прочих характеристик. Предлагаемое изобретение за счет применения двух сателлитных шестерен, снимает ограничение на радиус приводной шестерни и позволяет перенести нагрузку зацепления на противоположную сторону коронной шестерни, что в несколько раз увеличивает рычаг приложения силы. Использование более одной сателлитной шестерней позволяет еще больше разгрузить данную передачу.

[017] В отличие от аналога, где используются сдвоенные шестерни, весь планетарный механизм лежит в одной плоскости, что снижает нагрузку на узлы зацепления и позволяет увеличить радиус приводной шестерни. Передаточное число от приводной шестерни к коронной составляет 1/2, поскольку только в этом случае приводная шестерня будет вращаться в противоположную сторону от ротора (выходного вала) и делать равное с ним количество оборотов, а ось штоков поршня будет совершать линейные возвратно-поступательные движения без поворота. Также заявленная компоновка механизмов позволяет использовать пространство под поршнем как компрессорное, для принудительной продувки цилиндра. Кроме того, в двигателе применяются золотниковые клапаны вблизи нижней мертвой точки там, где температура и давление позволяют это делать, для управления процессом продувки цилиндра. Размещение золотниковых клапанов в этом месте позволит организовать простой их привод от центрального вала.

[018] Краткое описание чертежей

[019] Изобретение поясняется фигурами, где:

[020] На фиг. 1 показан общий вид двигателя на примере тестовой модели,

[021] На фиг. 2 показан вид двигателя сбоку,

[022] На фиг. 3 показан вид двигателя в продольном разрезе,

[023] На фиг. 4 показан двигатель в разобранном виде,

[024] На фиг. 5-8 показаны варианты выполнения сателлитных шестерен в шестеренчатом механизме.

[025] Элементы обозначены на фигурах следующими позициями:

1 - корпус;

2 - цилиндр;

3 - поршень;

4 - шток;

5 - выходной вал;

6 - коронная шестерня;

7 - приводная шестерня;

8 - первая сателлитная шестерня;

9 - вторая сателлитная шестерня;

10 - водило;

11 - распределительная шестерня;

12 - центральный вал;

13 - золотниковый клапан;

14 - центральная шестерня;

15 - промежуточная шестерня;

16 - золотниковые шестерни;

17 - шестерня выходного вала;

18 - втулка;

19 - направляющая;

20 - компрессорное пространство.

[026] Осуществление изобретения

[027] Заявленное изобретение иллюстрировано на примере двухтактного бесшатунного двигателя. Двигатель содержит корпус (1), в котором оппозитно друг другу размещено два цилиндра (2) с поршнями (3), штоки (4) которых жестко и соосно скреплены с возможностью синхронного возвратно поступательного перемещения вдоль оси штоков (4) (см. фиг. 3, 4). В верхней части корпуса (1) размещен выходной вал (5), связанный с поршнями посредством двух кривошипных шестеренчатых механизмов преобразования поступательного движения поршней (4) во вращательное движение выходного вала (5). Указанные механизмы размещены симметрично с двух сторон относительно оси штоков (4) и синхронизированы между собой.

[028] Каждый из указанных механизмов преобразования включает коронную шестерню (6) внутреннего зацепления, приводную шестерню (7) внешнего зацепления, одну или более первых сателлитных шестерней (8) внешнего зацепления, одну или более вторых сателлитных шестерней (9) внешнего зацепления, водило (10), центральную шестерню (11) внешнего зацепления и центральный вал (12).

[029] Коронная шестерня (6) установлена неподвижно в корпусе (1) двигателя. Приводная шестерня (7) установлена на штоках (4) с эксцентриситетом таким образом, что ее ось размещена перпендикулярно штокам (4) во втулке (18), размещенной в соединительной части штоков (4). При этом сама приводная шестерня (7) прикреплена к оси вращения со смешением относительно центра шестерни и размещена эксцентрично внутри коронной шестерни (6) в ее плоскости. Приводная шестерня (7) имеет в два раза меньше зубьев, чем коронная шестерня (6) (передаточное число 1/2).

[030] Первая сателлитная шестерня (8) также размещена внутри коронной шестерни (5) в одной плоскости с ней и находится в зацеплении с приводной шестерней (5). Вторая сателлитная шестерня (9), размещена внутри коронной шестерни (6) в ее плоскости на противоположной относительно центра приводной шестерни (7) стороне и находится в зацеплении с первой сателлитной шестерней (8) и с коронной шестерней (6).

[031] Количество сателлитных шестерней (8, 9) может быть различным. В частности, могут быть предусмотрены схемы: с одной первой сателлитной шестерней (8) и одной второй сателлитной шестерней (9) (см. фиг. 5), с двумя первыми сателлитными шестернями (8) и с двумя вторыми сателлитными шестернями (9) (см. фиг. 6), с двумя первыми сателлитными шестернями (8) и одной второй сателлитной шестерней (9) (см. фиг. 7), с тремя первыми сателлитными шестернями (8) и двумя вторыми сателлитными шестернями (9) (см. фиг. 8) и т.д. Увеличение количества сателлитных шестерней (8, 9) позволяет снизить нагрузки на зубья шестерен и разгрузить зубчатую передачу. Число зубьев сателлитных шестерен (8) и (9) не имеет принципиального значения, т.к. не влияет на передаточное число.

[032] Оси первой (8) и второй (9) сателлитных шестерен связаны между собой водилом (10), которое в свою очередь эксцентрично прикреплено к распределительной шестерне (11) большего размера, установленной на выходном валу (5). Таким образом, оси шестерней (7), (8) и (9) синхронно перемещаются относительно коронной шестерни (8), передавая вращение на центральный вал (12). При этом распределительная шестерня (11) размещена соосно коронной шестерне (6) и находится в зацеплении с шестерней (17) выходного вала (5), установленного параллельно центральному валу (12).

[033] В двигателе также предусмотрен механизм газораспределения, размещенный в боковой части корпуса и содержащий четыре золотниковых клапана (13), которые размещены в нижней части цилиндров (2), и приводной механизм для вращения золотниковых клапанов (13), связанный с центральным валом. Приводной механизм содержит центральную шестерню (14) малого диаметра, установленную на центральном валу (12), две промежуточные шестерни (15), находящиеся в зацеплении с центральной шестерней (14), и четыре золотниковые шестерни (16), находящиеся в зацеплении с промежуточными шестернями (15) и связанные с подвижной частью золотниковых клапанов (13). Центральный вал (12), оси промежуточных шестерней (15) и золотниковые клапаны (13) установлены в направляющих (19), прикрепленных к корпусу (1). В данной схеме легко реализуется механизм фазовращателей золотниковых клапанов.

[034] Под поршнями (3) в цилиндрах (2) может быть предусмотрено компрессорное пространство (20) для принудительной продувки цилиндра (см. фиг. 3).

[035] Двигатель функционирует следующим образом. В результате детонации топливной смеси в цилиндре (2) происходит перемещение поршня (3) и штоков (4) вдоль оси. Это приводит к смещению эксцентричной оси приводной шестерни (7), которая, находясь внутри коронной шестерни (6) в контакте с сателлитными шестернями, осуществляет эксцентричный поворот. Данный поворот приводит к передачи вращения на первую сателлитную шестерню (8) и затем на вторую сателлитную шестерню (9), взаимодействующей с коронной шестерней (6). Таким образом, приводная шестерня (7) синхронно поворачивается с водилом (10) относительно коронной шестерни (6), что приводит к вращению центрального вала (12) через распределительную шестерню (11). От распределительной шестерни (11) вращение через шестерню выходного вала (17) передается на выходной вал (5). При этом вращение центрального вала (12) приводит к согласованному вращению подвижных частей золотниковых клапанов (13) через шестерни (15) и (16) для управления открытием и закрытием каналов цилиндров (12) для впрыска топлива.

Изобретение относится к машиностроению. Бесшатунный двигатель включает корпус (1), цилиндры (2), поршни (3), жестко закрепленные на штоках (4), выходной вал (5) и по меньшей мере один механизм преобразования поступательного движения поршней во вращательное движение выходного вала (5). Механизм преобразования включает: коронную шестерню (6), закрепленную неподвижно в корпусе (1), приводную шестерню (7), прикрепленную к штоку (4) с возможностью эксцентричного вращения, размещенную эксцентрично внутри коронной шестерни (6) и имеющую в два раза меньше зубьев, чем коронная шестерня (6), по меньшей мере одну первую сателлитную шестерню (8) внешнего зацепления, размещенную внутри коронной шестерни (6), находящуюся в зацеплении с приводной шестерней (7), по меньшей мере одну вторую сателлитную шестерню (9) внешнего зацепления, размещенную внутри коронной шестерни (6) на противоположной относительно центра приводной шестерни (7) стороне и находящуюся в зацеплении с первой сателлитной шестерней (8) и с коронной шестерней (6), водило (10), соединяющее оси первой (8) и второй (9) сателлитных шестерней, и распределительную шестерню (11), размещенную на центральном валу (12), жестко соединенную с водилом (10) и находящуюся в зацеплении с шестерней (17) выходного вала (5). Обеспечивается снижение нагрузки на зубья шестерен механизма, уменьшение требований к их материалам и точности их изготовления. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Бесшатунный двигатель, включающий: корпус (1), цилиндры (2), поршни (3), размещенные в цилиндрах (2) и жестко закрепленные на штоках (4) с возможностью поступательного перемещения, выходной вал (5) и по меньшей мере один механизм преобразования поступательного движения поршней во вращательное движение выходного вала (5), при этом указанный механизм преобразования включает: коронную шестерню (6) внутреннего зацепления, закрепленную неподвижно в корпусе (1), приводную шестерню (7), прикрепленную к штоку (4) с возможностью эксцентричного вращения и размещенную эксцентрично внутри коронной шестерни (6) в ее плоскости, причем приводная шестерня (7) имеет в два раза меньше зубьев, чем коронная шестерня (6), по меньшей мере одну первую сателлитную шестерню (8) внешнего зацепления, размещенную внутри коронной шестерни (6) в ее плоскости, находящуюся в зацеплении с приводной шестерней (7), по меньшей мере одну вторую сателлитную шестерню (9) внешнего зацепления, размещенную внутри коронной шестерни (6) в ее плоскости на противоположной относительно центра приводной шестерни (7) стороне и находящуюся в зацеплении с первой сателлитной шестерней (8) и с коронной шестерней (6), водило (10), соединяющее оси первой (8) и второй (9) сателлитных шестерней, и распределительную шестерню (11), размещенную на центральном валу (12), жестко соединенную с водилом (10) и находящуюся в зацеплении с шестерней (17) выходного вала (5).

2. Бесшатунный двигатель по п.1, отличающийся тем, что содержит два размещенных друг напротив друга цилиндра (2) с поршнями (3), штоки (4) которых жестко соосно связаны, а также два указанных механизма преобразования, размещенных с двух сторон относительно оси штоков (4).

3. Бесшатунный двигатель по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит механизм газораспределения, содержащий золотниковые клапаны (13), размещенные в нижней части цилиндров (2), и приводной механизм для вращения золотниковых клапанов, связанный с центральным валом (12).

4. Бесшатунный двигатель по п.1, отличающийся тем, что приводной механизм для вращения золотниковых клапанов содержит центральную шестерню (14), установленную на центральном валу (12), промежуточные шестерни (15), находящиеся в зацеплении с центральной шестерней (14), и золотниковые шестерни (16), связанные с золотниковыми клапанами (13).

5. Бесшатунный двигатель по п.1, отличающийся тем, что цилиндры (2) включают размещенное под поршнем (3) компрессорное пространство (20) для принудительной продувки цилиндра.