Двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и предназначено для использования в качестве силовой установки для сухопутных и водных транспортных средств, а также стационарных энергетических установок. Механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня двигателя во вращательное движение вала состоит из поршней, размещенных в цилиндрах и кинематически связанных шатунами с коренным валом двигателя. В нижней головке шатуна каждой цилиндро-поршневой группы расположена зубчатая передача с внутренним зацеплением, шестерня которой установлена на коренном валу, а зубчатое колесо выполнено в отверстии нижней головки шатуна. Контур колеса выполнен из участков различной кривизны, например, в виде овала, боковые зубчатые поверхности которого выполнены с меньшей кривизной и могут быть прямолинейными и попеременно взаимодействующими с шестерней. Верхняя и нижняя поверхности отверстия нижней головки шатуна выполнены с большей кривизной, не более кривизны вершин зубьев шестерни. Шестерня зубчатой передачи имеет кулачок, выполненный на стороне, противоположной ее рабочим зубцам, попеременно взаимодействующим во время рабочего цикла с упорами, которые установлены параллельно зубчатым боковым поверхностям прямого и обратного хода поршня. Верхняя и нижняя криволинейные поверхности отверстия нижней головки шатуна выполнены гладкими, при этом верхняя поверхность является продолжением вершин крайнего зуба зубчатой боковой поверхности прямого хода поршня, а нижняя - продолжением вершины крайнего зуба зубчатой боковой поверхности обратного хода поршня. 5 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к поршневым многоцилиндровым двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в качестве двигателя на сухопутных и водных транспортных средствах, а также в энергомашиностроении в качестве стационарных двигателей для компрессоров, электрогенераторов и других рабочих машин и механизмов.

Известны автомобильные двигатели внутреннего сгорания поршневые, многоцилиндровые, рядные и V-образные, карбюраторные или дизельные, состоящие из блока цилиндров с камерами для сжигания топлива, кривошипно-шатунного механизма, состоящего из поршней, размещенных в цилиндрах, кинематически связанных шатунами с коленчатым валом двигателя, а также механизма газораспределения, системы питания, смазки, охлаждения (см., например, книгу В.И. Анохин. Отечественные автомобили. М. : Машиностроение, 1964, с. 56-113, 754-758).

Недостаток известных по аналогу двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что в качестве коренного вала кривошипно-шатунного механизма в известных двигателях использован коленчатый вал, крутящий момент которого в процессе движения поршня из верхней мертвой точки до нижней мертвой точки при такте "рабочий ход" - величина переменная и зависит от угла поворота кривошипа. Монтаж коленчатого вала в коренных опорах и шатунных шейках возможен только в подшипниках скольжения (вкладышах). При этом нижняя головка шатуна совершает колебательные движения с большей амплитудой, равной двум радиусам кривошипа коленчатого вала. Все это приводит к увеличению затрат, шатунный механизм в известных двигателях конструктивно сложен и требует высокоточной сборки и обильной смазки трущихся соединений.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков и технической сущности предлагаемого изобретения является поршневая машина, состоящая из блока цилиндров с поршнями и шатунами для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коренного (приводного) вала двигателя. Нижняя головка шатуна выполнена с продольной прорезью, внутри которой имеется зубчатое колесо, контур которого выполнен из участков различной кривизны, например в виде овала, боковые зубчатые поверхности которого выполнены с меньшей кривизной, попеременно взаимодействующие с шестерней, одна зубчатая боковая поверхность овала соответствует прямому ходу поршня, другая - его обратному ходу, а верхняя и нижняя поверхности зубчатого колеса - с большей кривизной и в рабочем цикле соответствуют фазам смены направления движения поршня, шестерня расположена внутри овального колеса, установлена на коренном валу и снабжена дисковым кулачком, выполненным на стороне, противоположной ее рабочим зубцам, попеременно взаимодействующим во время рабочего цикла с направляющими боковинами, установленными параллельно зубчатым боковым поверхностям прямого и обратного хода поршня (см. заявку ФРГ N 3230508, кл. F 01 B, 9/00, 1984).

Недостатком указанной поршневой машины является то, что колесо в нижней головке шатуна выполнено зубчатым по всему замкнутому контуру, а полезную работу производят только зубчатые боковые поверхности прямого и обратного хода, при этом в процессе рабочего цикла эти поверхности испытывают различные по величине нагрузки, а верхние и нижние зубчатые поверхности, соответствующие фазе смены направления движения поршня, зацеплением ухудшают плавность вращения шестерни и увеличивают износ зубьев, так как при смене направления движения нижней головки шатуна меняется характер зацепления, а участок зацепления перемещается на 180^o, при этом увеличиваются контактные напряжения и происходит проскальзывание между соприкасающимися поверхностями зубьев шестерни и верхней или нижней поверхностями зубчатого колеса, что увеличивает износ зацепления, а следовательно, уменьшается долговечность двигателя. К тому же выполнение верхней и нижней поверхностей зубчатыми излишне и требует дополнительных трудозатрат.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности и долговечности, а также снижение трудозатрат за счет выполнения колеса из участков, зависимых от характера перемещений и величины нагрузок.

Для достижения обеспечиваемого заявленным изобретением технического результата в известном двигателе внутреннего сгорания имеется блок цилиндров, механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коренного вала, состоящий из поршней, размещенных в цилиндрах, кинематически связанных шатунами с коренным валом двигателя, а также механизм газораспределения, системы питания, смазки и охлаждения, причем в нижней головке шатуна каждой цилиндро-поршневой группы расположена зубчатая передача с внутренним зацеплением, шестерня которой установлена на коренном валу, вал выполнен прямым и установлен в подшипниках качения, размещенных в опорах блока цилиндров, зубчатое колесо выполнено в отверстии нижней головки шатуна, контур колеса выполнен из участков различной кривизны, например в виде олова, боковые зубчатые поверхности которого выполнены с меньшей кривизной, могут быть прямолинейными, попеременно взаимодействующими с шестерней, одна зубчатая боковая поверхность овала соответствует прямому ходу поршня, другая - его обратному ходу, а верхняя и нижняя поверхности отверстия нижней головки шатуна выполнены с большей кривизной, но не более кривизны вершин зубьев и в рабочем цикле соответствуют фазе смены направления движения поршня, шестерня зубчатой передачи имеет кулачок, выполненный на стороне, противоположной ее рабочим зубцам, попеременно взаимодействующим во время рабочего цикла с упорами, которые установлены параллельно зубчатым боковым поверхностям прямого и обратного хода поршня, верхняя и нижняя криволинейные поверхности отверстия нижней головки шатуна выполнены гладкими, радиусом не менее радиуса вершин зубьев шестерни, при этом верхняя поверхность является продолжением вершины крайнего зуба зубчатой боковой поверхности прямого хода поршня, а нижняя - продолжением вершины крайнего зуба зубчатой боковой поверхности обратного хода поршня.

Все это обеспечивает решение поставленной задачи изобретения. Благодаря тому, что верхние и нижние поверхности отверстия нижней головки шатуна выполнены гладкими, изменение направления движения осуществляется наружным диаметром шестерни, взаимодействующим с криволинейной поверхностью продолжения вершины крайнего зуба боковой поверхности прямого или обратного хода поршня. При этом произойдет перераспределение сил в зоне контактируемых поверхностей, что уменьшает контактные напряжения, а оптимальный подбор материала участка колеса продолжения вершины крайнего зуба боковой поверхности прямого или обратного хода уменьшит износ трущихся поверхностей. При этом значительно уменьшатся трудозатраты при изготовлении колеса. Все это повысит надежность и долговечность двигателя, а также трудозатраты производства двигателя.

На фиг. 1 схематично изображен продольный разрез заявляемого двигателя внутреннего сгорания, на фиг. 2 - поперечный разрез указанного двигателя, на фиг. 3 представлен разрез по А-А нижней головки шатуна по зубчатой передаче, часть коренного вала и подшипника, на фиг. 4 изображено сечение Б-Б зубчатой передачи внутреннего зацепления, на фиг. 5 - сечение В-В, показывающее взаимодействие упоров и кулачка.

Заявляемый двигатель внутреннего сгорания содержит блок цилиндров 1, внутри которого размещен механизм преобразования движения, состоящий из поршней 2, шатунов 3, в отверстии нижних головок которых размещены шестерни 4, закрепленные на общем для всех цилиндров прямом валу 5, установленном в подшипниках качения 6. Зубчатое колесо расположено в нижней головке каждого шатуна 3, контур колеса выполнен в виде овала, состоящего из зубчатых участков прямого 7 и обратного 8 хода поршня 2, при этом одна боковая поверхность 7 соответствует прямому ходу, выполнена меньшей кривизны, в частном случае может быть прямолинейной, другая боковая поверхность 8 соответствует обратному ходу, выполнена такой же кривизны. Верхняя 9 и нижняя 10 поверхности контура колеса соответствуют переходной фазе смены направления движения поршня 2, выполнены полуцилиндрическими, радиусом не менее радиуса вершин зуба шестерни 4, при этом вверху вершина крайнего зуба поверхности 7 прямого хода переходит в криволинейную гладкую поверхность 9, а внизу вершина крайнего зуба поверхности 8 обратного хода переходит в криволинейную гладкую поверхность 10, предпочтительнее зубчатые передачи в предлагаемом двигателе выполнить с "зацеплением Новикова", так как нагрузочные возможности по сравнению с эвольвентным зацеплением в 2,5 раза выше. Параллельно зубчатым боковым поверхностям 7 и 8 на нижней головке шатуна установлены плоскопараллельные упоры 11, один из которых в продолжении всех тактов рабочего цикла двигателя попеременно взаимодействует с кулачком 12, выполненным на противоположной стороне рабочих зубцов шестерни 4. Для выравнивания вращения вала 5 имеется маховик 13. Также двигатель имеет механизм газораспределения, системы питания, смазки, охлаждения и зажигания на чертеже не показаны.

Работает двигатель следующим образом.

При воспламенении горючей смеси в камере сгорания, например в первом цилиндре, газы, расширяясь, давят на днище поршня 2, перемещая его из верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней (НМТ) с усилием P, совершая такт "Рабочий ход", совместно с поршнем 2 перемещается шатун 3, вращая при этом через зубчатую поверхность 7 прямого хода шестерню 4, вал 5 с постоянным крутящим моментом в процессе всего такта "Рабочий ход", равным: M_кр = P·R, где P - сила, развиваемая поршнем; R - радиус делительной окружности шестерни 4.

При этом кулачок 12, взаимодействуя попеременно с упорами 11, препятствует самопроизвольному выходу из зацепления шестерни 4 с зубчатыми поверхностями 7 и 8. При подходе поршня 2 к НМТ шестерня 4, продолжая вращение, повернет через поверхность 9 нижнюю головку шатуна 3 относительно оси верхней головки шатуна (подобно кулачковому механизму), при этом шестерня 4 выйдет из зацепления с поверхностью 7 прямого хода и войдет в зацепление с поверхностью 8 обратного хода. Продолжая вращение, шестерня 4 через поверхность 8 обратного хода переместит шатун 3 с поршнем 2 из НМТ к ВМТ, совершая при этом такт "Выпуск". При подходе поршня 2 к ВМТ аналогично сменится направление движения поршня 2 и шатуна 3 и совершится такт "Всасывание", затем такт "Сжатие" и т.д., рабочие циклы каждого цилиндра повторяются, чередуясь, во всех цилиндрах происходит непрерывный рабочий цикл всего двигателя. Наличие маховика 13 сглаживает незначительные перепады величин крутящих моментов в цилиндрах двигателя.

Благодаря тому, что в заявленном двигателе по сравнению с известным по прототипу двигателем "поршневая машина", содержащем в основном блок цилиндров, механизм преобразования возвратно-поступательного движения, состоящий из поршней, размещенных в цилиндрах, кинематически связанных шатунами с коренным валом, а в нижних головках шатунов расположены зубчатые передачи с внутренним зацеплением, согласно предварительным расчетам и эскизной проработке, выполнение верхней и нижней криволинейных поверхностей отверстия нижней головки шатуна гладкими за счет оптимального подбора материалов контактируемой поверхности участка продолжения вершины крайнего зуба боковой зубчатой поверхности прямого и обратного хода позволит увеличить долговечность двигателя в 1,5-2 раза, а также значительно уменьшить длину зубчатого контура колеса, что уменьшит трудозатраты при изготовлении колеса на 30-40%.

Формула изобретения

Двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров, механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коренного вала, состоящий из поршней, размещенных в цилиндрах, кинематически связанных шатунами с коренным валом двигателя, а также механизм газораспределения, системы питания, смазки и охлаждения, причем в нижней головке шатуна каждой цилиндропоршневой группы расположена зубчатая передача с внутренним зацеплением, шестерня которой установлена на коренном валу, вал выполнен прямым и установлен в подшипниках качения, размещенных в опорах блока цилиндров, зубчатое колесо выполнено в отверстии нижней головки шатуна, контур колеса выполнен из участков различной кривизны, например, в виде овала, боковые зубчатые поверхности которого выполнены с меньшей кривизной, могут быть прямолинейными, попеременно взаимодействующими с шестерней, одна зубчатая боковая поверхность овала соответствует прямому ходу поршня, другая - его обратному ходу, а верхняя и нижняя поверхности отверстия нижней головки шатуна выполнены с большей кривизной, но не более кривизны вершин зубьев, и в рабочем цикле соответствуют фазе смены направления движения поршня, шестерня зубчатой передачи имеет кулачок, выполненный на стороне, противоположной ее рабочим зубцам, попеременно взаимодействующим во время рабочего цикла с упорами, которые установлены параллельно зубчатым боковым поверхностям прямого и обратного хода поршня, отличающийся тем, что верхняя и нижняя криволинейные поверхности отверстия нижней головки шатуна выполнены гладкими, радиусом не менее радиуса вершин зубьев шестерни, при этом верхняя поверхность является продолжением вершины крайнего зуба зубчатой боковой поверхности прямого хода поршня, а нижняя - продолжением вершины крайнего зуба зубчатой боковой поверхности обратного хода поршня.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5