Двигатель внутреннего сгорания Советский патент 1986 года по МПК F02B75/26 

Изобретение относится к двигате- лестроению, преимущественно к силовым установкам для транспортных машин, в частности с поршневьнми двигателями внутреннего сгорания.

Цель изобретения повышение надежности работы и эксплуатационных характеристик привода вала двигателя внутреннего сгорания.

На фиг, 1 изображена кинематическая схема двухдилиндрового двигателя внутреннего сгорания, вид спереди на фиг. 2 - то же, вид сбоку;; на фиг. 3 - кинематическая схема одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, вид спереди; на фиг.4- то же, вид сбоку.

Двигатель (фиг. 1 и 2) содержит корпус 1, в котором последовательно расположены, например, два цилиндра 2. В каждом цилиндре 2 размещен поршень 3, соединенный неподвижно со штоком 4, имеющим неподвижные направляющие 5. Шток 4 пшрнирно соединен с общими концами равноплечих коромысел 6. Раздельные концы коромысел 6 соединены шарнирно с различными сдвоенными водилами 7 и 8, например концы коромысел 6, соединенных со штоком 4 правого поршня 3, связаны с водилом 7 (фиг, 1 и 2, сплошная линия 1-1) и с водилом 8 (фиг. и 2 пунктирная линия IV-IV) Оба водила 7 и 8 сдвоенные,,поэтому левые половинки водила 7 (фиг. 1 и 2, сплошная линия Ill-Ill) и водила 8 (фиг. 1 и 2, пунктирная линия II- II) соединены шарнирно с раздельными концами равноплечих коромысе:а 6, связанных подвижно со штоком 4 левого поршня 3. Водила 7 и 8 на шарикоподшипниках 9 и 10 установле:ны на общем выходном валу 11 привода. На этом же валу 11, установленном в подшипниках 2, неподвижно закреплены центральные солнечные зубчатые коле са 13 планетарных передач привода и внутренний эксцентрик 14 несилового регулировочного кривошипно-полэунно- го механизма. Наружный эксцентрик 15 этого механизма, установленный подвижно на внутреннем эксцентрике I4, шарнирно подшипникам в его кольцевом пазу через шатун 16 соединен со штоком 4 одного, например правого, поршня 3. Вследствие того, что обе поршневые группы взаимосвязаны между собой через коромысла 6 и сдвICi

35

293982

енные водила 7 и 8, то при повороте наружиог о эксцентрика 15 отчоснтель- но внутреннего эксцентрика 14, например э вручную мокло отрегулировать

5 длину кривошипа, составленного из , эксцентриков 14 и 5, и тем самым на одинаковую величину хода обоих поршкей 3,. угол поворота общего выходного вала 1 I за один ход поршня 3 или скорость его вращения. Правая половина водила 7 1нарнирно с помощью осей 17 соединена с двумя диаметрально противоположно расположенными сателлитами 18, а левая половинка

водила 8 - с помощью осей 19 с сателлитами 20. Сателлиты 18 и 20 за- цепле;ны с правым и левым центральными солнечными колесами 3 и эпициклами 21, установленными в шари- коподщипниках 22, Один из сателлитов 18 и 20 спарен с сателлитами 23, закрепленными неподвижно на осях 7 и 19,, расположенными диаметрально противоположно и зацепленными с дополнительным колесом 24 с внутреннем зацеплением. Колесо 24 закреплено неподвиясно в корпусе 1 между планетарными передачами и является общим неподвилсным звеном для этих

З О передач., Сателлиты 18, 20 и 23, центральные солнечные колеса 13, эпициклы 21 и колесо 24 имеют одинаковое число зубьев. Нижние обга;ие шарниры равноплечих коромысел 6 могут сое-

35 диняться с помощью пружин 25 растяжения подвижно и упруго с корпусом 1, а эпициклы 21 могут служить приводными элементами дополнительных механизмов, напр1 мер механизма

40 вала отбора .мощности.

Двигатель (фиг. 3 и 4) содержит корпус I с цилиндром 2, в котором размещен поршень 3, соединенный неподвижно со штоком 4, установленным

45 в направляющтнх 5. Шток 4 шарнирно соединен с общими концами равноплечих коромысел 6. Раздельные концы коромысел 6 соединены шарнирно с осями 17 и 19 сателлитов 18 и 20

50 планетарных передач. В каждой планетарной передаче - два сателлита 8 или 20, расположенные диаметрально противоположно и зацепленные с эпициклами 21, установленными подвиж

55 но в корпусе 1. Вторые сателлиты 1В и 20 в передачах расположены на осях 26 и 27. На осях 17 и 27 диагонально противоположно расположены

3

два дополнительных сателлита 23 и 28, зацепленные с колесом 24, Все сателлиты 18, 20, 23 и 28 закреплены на осях 17, 19, 26 и 27 неподвижно. Колесо 24 с внутренним зацеплением является общим, неподвижным звеном обеих планетарных передач и закреплено неподвижно в корпусе 1. Водила 29 и 30 этих передач установлены подвижно на общем выходном валу 11 привода. На этом же валу 11 неподвижно закреплены центральные или солнечные зубчатые колеса 13 планетарных передач и внутренний эксцентрик 14 несилового регулировочного кривошипно-ползунного механизма. Наружный эксцентрик 15 этого механизма, установленный на внутреннем эксцентрике 14 с возможностью изменения их расположения оДин относительно, другого, шарнирно с помощью шарикоподшипника (не показан).в своем кольцевом пазу через шатун 16 соединен со штоком 4. Длина кривошипа, представляющая собой суммарный эксцентриситет эксцентриков 14 и 15, регулируется проворотом наружного эксцентрика относительно внутреннего. При этом изменяется ход поршня 3, углы поворота ведущих водил 29 и 30, угол поворота общего выходного вала 11 за один ход поршня 3, а следовательно, скорость вращения этого вала. Числа зубьев сателлитов 18, 20, 23 и 28 равны, также одинаковы числа зубьев у центральных колес 13, эпициклов 21 и колеса 24. У всех этих зубчатых колес модули одинаковы.

Предлагаемый двухцилиндровый двигатель внутреннего сг( работает следующим образом.

В случае, например, двухтактного двигателя в одном цилиндре 2, в частности в правом, происходит рабочий ход (поршень 3 вначале находится в крайнем верхнем положении), а в другом левом - сжатие (поршень 3 находится в крайнем нижнем положении). Так как обе поршневые группы взаимосвязаны между собой, при рабочем ходе правого поршня 3 вниз левый поршень 3 поднимается вверх и производит сжатие в левом цилиндре 2. При этом сдвоенное крестообразное водило 7 (обе половинки 1-1 и Ill-Ill) вращается по часовой стрелке, сателлиты I8, опираясь на неподвижный правый эпицикл 21, вращают правое

15

293984

це 1тральное колесо 13, а следовательно, общий выходной вал П по часовой стрелке (фиг. 1). Отсутствие враще- ния правого эпицикла 2I в этом слу- J чае объясняется тем, что правая планетарная передача при ведущем водила 7 (правая половинка Т-Т) представляют собой редуктор Давида с двумя внутренними зацеплениями, переда 0 точное отношение которого при равных .числах зубьев сателлитов 18 и 23, при равных числах зубьев колеса 24 и правого эпицикла 21 равно бесконечности.

Причем передаточное отношение в этих звеньях в обратном направлении равно нулю, поэтому в этом направ- лении движение также невозможно, так как передача подвержена самотор-

jn можению. Таким образом, в редукторе Давида с двумя внутренними зацеплениями с ведушлм водилом при неподвижном колесе 24 неподвижен и правый эпицикл 21.В таком редукторе опорный

25 реактивный момент воспринимают через блок сателлитов 18 и 23, колесо 24 и правый эпицикл 21 независимо от того, установлены ли подвижно сателлиты 18 на осях 17 и 26, а правый эпицикл 21 в подшипниках 22. При этом под воздействием левого плеча коромысла 6, связанного также с правым рабочим поршнем 3 и правой половинкой IV-IV сдвоенного водила 8, последнее вращается против часо

5 вой стрелки при одновременном продолжении вращения общего выходного вала 1 1 в прежнем направлении по часовой стрелке. В этом случае левая плане тарная передача представляет собой

дифференциальный механизм, имеющий два входа от левого центрального колеса 13 и от водила 8 при одном выходе на левый эпицикл 21 , вращакяций- ся против часовой стрелкн.

Изменяя относительное положение эксцентриков 14 и 15, можно регулировать угол поворота водил 7 и 8 за один ход вниз поршней 3.

При рабочем ходе в левом цилинд-

50 ре 2 и сжатии в правом цилиндре 2 цикл повторяется снова при однонаправленном вращении по часовой стрелке общего выходного вала 11 с той лишь разницей, что в этом случае

55 левая планетарная передача работает как редуктор Давида, а правая планетарная передача - как дифференциальный механизм. Пружины 25 выполня30

ют частично роль маховика и могут использоваться, когда привод осуш,е-- ствляется; например, от четырехтакт- bibix двигателей внутреннего сгорания.

Эпицик;ш 2, поскольку они совершают вращение с периодическими остановками в данном случае в направлении против часовой стрелки, могут использоваться для привода одного

общего вала механизма оборота мощности или для прерывистого движения различных валов других меха-- низмов.

Предлагаемьш одноцилиццровый дни- гатель внутреннего сгорания работает следующим образом.

При рабочем ходе поршня 3 вниз (верхнее положение поршня 3 и др. элементов привода показано сплошной линией фиг.З и 4), равноплечие коромысла 6, воздействуя через оси 17 и 19, вращают водила - правое 29 напрш 5ер, по часовой стрелке в сторону вращения выходного вала 11, а левое 30, противоположно направлению вращения этого вала. Выходной вал 11 первоначальное вращение приобретает от стартера. В этом случае правая планетарная передача с води- лом 29 работает как редуктор Давида с двумя внутренними зацеплениями, параметры сателлитов 18 и 23, колес 21 и 24 которого одинаковы. Такой частный случай выполнения редуктора Давида имеет передаточное число от ведущего водила 29 до эпидикла 21, равное бесконечности.

Равенство передаточного числа бесконечности означает, что выходное звено - эпицикл 21 такого редуктора Давида независимо от того, установлено ли оно подвижно, HanpiiMep, в подпшпниках, сохраняет неподвижное свое попожение. Поэтому при совпаде- НИИ наиравлений вращения водих а 29 и центрального колеса с выходным валом 11 правая планетарная передача представляет собой редуктор Давида, в котором опорньм или реактив- ный момент воспринимают непод1 ижные эпициклы 21 и колесо 24.

Левая планетарная передачаj в которой водило 30 вращается.в противоположном направлении против часовой стрелки,, представляет собой д1-:1фферен цнальнсый механизм, имеющий оджгн . вход от водила 30 и два выхода на ле

вое цент ральноа колесо 1.3 и на ле- вый .эпицикл 21.

Если оба выхода дифферепциального механизма имеют одну и ту же непод- ккжиу о ось вр.ащения и дополчигеяьно связаны между собой замыкаюшкы их звеном тоже с неподвижной осью вращения,, то такой механизм замкнутый. В данном случае левое центральное колесо 3 и левый эпицикл 21 имеют одну и ту же неподвижную ось вращения и зацеплены друг с другом с помощью сателлитов 20, Зсяи сатеплиты 205 нмеюЕ(ие подвий;ные оси, не могут сами по себе выполнять функцию эамы- каю1);его звена, то один iis сателлитов 20 сблокирован с д.ополннтельныЕМ сателлитом 28, зацепленным с непод- вида1ым колесом 24,, Такой б.лок сателлитов 20 и 28, будучи связан с не- подвижньпм колесом 24, успешно выполняет фу/нкцию замыкающего .звена. Таким образом, левая планетаркаЕ передача., когда правая передача работает как редуктор Давида, представляет собой зэ пснутый дифференциальный механизм ее степенью подвижности, равной единице, заключающейся во вращении левого центрального колеса 13 вместе с выходным валом 1 в необ хо- димом направлении по часовой.стрелке.

Так как обе части привода взаимосвязаны кеж;1,у собой с помощью вала П, ; то оба коромысла б при этом испмтывшот одинаковые нагрузкиs что обуславливает отсутствие боковых нагрузок на штоке 4 и порише 3.

При холостом ходе поршня 3 вверх (нижнее положение поршн.я 3 и др., зле ментов привода показано пунктирной линией,р фиг, 1 и 2) направление вра- игеиня водил 29 и 30 изменится на об- ратгюе., nosToi iy Б этом случае благодаря идентичности устройс гва сбе- нх частей левая планетарная передача работает как редуктор Д.авида, а пра- в.ая выступает как днффе |с.нцналь -п й зa жнyтый механизм, далее, циклы повторяются снова при однокаправлен- ном .вращении зыходного вала 1 1 по часовой стрет:(ке. Изменяя от:госктель- ное пололсекне эксцентриков 14 и 15, рег хгируется угол поворота водил 29 и 30 за один ход поршня 3 вниз. На- ,, если за один ход. ЛОРГШ-Ш 3 знкз вал 1 1 повора.чивавтся на угол

7

80, как и в обычном кривошипно- ползунком механизме, то водила 29 .и 30 поворачиваются в разные стороны на угол в четыре раза меньше, т.е. на +45 , а левый эпицикл 21 - на угол 120 . Таким образом, при одной и той же скорости перемещения поршня 3 скорость вращения вала 1 в четыре раза больше, чем скорость вращения коленчатого вала в обычном кривошипно-ползунном механизме. Следовательно, предлагаемый привод может успешно применяться в более быстроходных двигателях внутреннего сгорания.

Предлагаемый пртшод вала двигателей внутреннего сгорания имеет знчительные преимущества по сравнению с известными приводами в виде криво шипно-ползунных механизмов поршневых двигателей.

Это объясняется тем, что предлагаемый привод вследствие значительного уменьшения действия сил инерции, например, из-за исключения деталей типа шатунов и других неуравновешенных масс, вследствие симметричной передачи движущих сил от поршней на равноплечие коромысла в обе противоположные стороны и компенсации тем самым противоположно направленных и перераспределенных реакций действия движущих сил на обеих взаимосвязанных между собой поршневых группах обеспечивает отсутствие дополнительных динамических нагрузок, строго прямолинейное перемещение порней и штоков в цилиндрах, отсутствие тем самым реакций действия неподвижных направляющих - стенок цилиндров на поршни, т.е. боковых нагрузок. Этим самым в приводе резко ограничивается износ поршневых колец стенок цилиндров, осей и подшипников шарниров и т.д. Привод не содержит никаких муфт обгона, зубчатых колес с прерывистым расположением зубьев, тормозных устройств и т.д., чем достигается отсутствие ударных нагрузок, надежная работа его узлов.

Предлагаемый привод имеет прямой общий выходной вал вместо коленчатого или эксцентриковых, не имеет упругих торсионных валов, дополнительных направляющих колец, боковых несиловых прлзунов и т.д., чем. достигается значительное упрощение конструкции и технологии изготовления.

293988

Привод не и.1 е ет мертвых крайних положений, какие имеют механизмы с коленчатым или эксцентриковыми валами когда шатун накладывается или яв- 5 ляется продолжением кривошипа по одной прямой и поэтому угол давления между векторами движущей силы и скорости ведомого вала в коренном под- пшпнике соединения кривошипа с щату10

ts

нок составляет недопустимьй для плос ких шарнирных механизмов угол 90 и крутящий от движущей силы на вал не передается. Когда же шатун наиболее отклонен от линии действия

движущей силы, угол давления составляет или принимает допустимые значения, однако при этом действуют нежелательные реакции стенок цилинд-/ ров, инерционные силы неуравновешен- 0 ньк масс типа шатунов и т.д. Такая пульсация крутящего момента, инерционных сил, реакций неподвижных звеньев существенно снргжает 1ШД машины, вызывает колебания и вибрации не только деталей двигателей, но и всей самоходной машины с частотой вращения коленчатого или эксцентри- . кового вала.

В предлагаемом приводе угол дав- яения между плечами коромысел 6 и водилами 7, 8 даже в крайних положениях последних при-угле поворота их равном 45 , соответствующих крайним положениям кривошипно-ползунного ме- 35 ханизма, когда в обоих случаях выходной вал поворачивается на един и тот же угол 80 , не превышает 30 , а колено-рычажная схема привода при этом позволяет получать максимальные 40 составляющие движущих сил на водилах. В этом случае крутящий момент от движущих сил на выходном валу незна чительно отличается от постоянной величины, следовательно, машину с та- 45 КИМ приводом меньше трясет, так как двигатели не являются источником колебаний и вибраций. Привод, таким образом, позволяет полнее в течение всего цикла, соответствующего одному 50 обороту вала, использовать движущие силы поршней, не привлекая для этих целей дополнительные маховые массы, поэтому он имеет более высокий КПД, более равномерную скорость вращения 5S выходного вала, меньший коэффициент неравномерности хода.

Предлагаемый привод всетопливный, так как регулируя общий зксцентриси91

тет эксцентриков 14 и 15 и тем самым одинаково ход поршней, можно изменять степень сжатия горючих смесей и заодно скорость вращения выходного вала.

Привод выполнен в виде колено- рычажных схем и планетарных зубчатых передач, вполне оправдавших себя в отношении надежности работы в технике. Вследствие симметричности действия сил и многопарности зацеплений планетарные передачи имеют меньшие параметры при одном и том же передаваемом моменте, поэтому предлагаемый привод относительно меньше габаритами и массой, так как короткоходовые поршни со штоками-равноплечими коромыслами связаны с водилами, являющимися общими элементами колено-рычажных схем и планетарных передач, ус229398

10

тановлеиными компактно наравне с дру гимн элементами этих передач коакси- ально вокруг общего выходного вала с центральными колесами.

Линейные скорости в зацеплениях для частоты вращения вала, например, 2400 об/мин при средних габаритах (модуль зубьев 2-3 мм) и средней передаваемой мощности 25-40 л.с. не превьш1ают 20 м/с, что намного меньше допустимых скоростей для прямо- ходовых передач.

Таким образом, описанные преимущества дают возможность использовать предлагаемый привод в высоконагруженных, в высокоскоростных двигателях при наименьшей вибрации и наибольшем КПД, различных частотах вращения выходного вала и различном

топлиЕ1е.

Фиг:1

r

5о

2

vfyr

о

фиг л