Бескривошипный двигатель

 

Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к поршневым двигателям внутреннего сгорания, которые принадлежат к распространенному и многочисленному классу тепловых двигателей, в которых тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, преобразуется в механическую работу. В этих двигателях процессы сгорания топлива, выделения теплоты и преобразования ее в механическую работу происходят непосредственно внутри двигателя. У бескривошипного двигателя нет кривошипно-шатунного механизма, а преобразование возвратно-поступательных движений поршней во вращение вала двигателя осуществляется многопериодным пространственным силовым механизмом. Упрощается конструкция и повышается надежность двигателя, увеличивается эффективность мощности путем снижения механических потерь и путем удлинения хода поршня в радиальном направлении, снижается расход топлива на единицу мощности, увеличивается срок службы двигателя в целом и повышается кпд двигателя. 1 з.п. ф-лы, 14 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно к поршневым двигателям внутреннего сгорания, которые принадлежат к распространенному и многочисленному классу тепловых двигателей, в которых тепловая энергия, выделяющая при сгорании топлива, преобразуется в механическую полезную работу. В этих двигателях процессы сгорания топлива, выделения теплоты и преобразования ее в механическую работу происходят непосредственно внутри двигателя.

Известен двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом (авторское свидетельство СССР 118471, кл. F 01 В 9/02, 1958 г.).

Бесшатунный двигатель имеет звездообразное расположение цилиндров, а поршни попарно жестко связаны между собой штоками, сочлененными через подшипники со средними шейками коленчатого вала, имеющего вращение шеек, с перемещением поршневых систем и связанных их штоков по оси противоположных цилиндров. Рабочий вал у этого двигателя выполнен из двух частей с кривошипами, несущими подшипники для закрепления в них на радиусе одной четвертой хода поршня крайних шеек коленчатого вала, и снабжен соединительным валом, фиксирующим с помощью шестерен положение кривошипов обеих частей рабочего вала друг относительно друга.

Недостатком этого двигателя является усложненная конструкция кривошипного бесшатунного механизма, который имеет дополнительный соединительный вал с шестернями для фиксации положения частей кривошипов относительно друг друга, а также и наличие коленчатого вала.

Из патентной литературы известен двигатель внутреннего сгорания (патент США 4553508, кл. F 02 В 75/26, 1985 г.).

Двигатель содержит блок цилиндров с аксиально расположенными цилиндрами, в которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения поршни, головку блока цилиндров, впускной и выпускной клапаны, механизм, преобразующий возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение вала двигателя, на торцовых поверхностях обода маховика этого механизма выполнены передний и задний профили, рабочие и вспомогательные ролики, охватывающие эти профили.

Основными недостатками этого двигателя являются.

Геометрическое и упругое скольжения с упругими деформациями в зонах контактов цилиндрических роликов с профилем. Окружная скорость на рабочей поверхности ролика постоянна по всей его ширине, так как ролик имеет цилиндрическую форму. Скорость различных точек у витков профиля изменяется пропорционально расстоянию этих точек от центра оси двигателя. На наружной поверхности кромки витков профиля скорость больше, чем на внутренней при одинаковой угловой скорости, так как окружная скорость определяется выражением v=w•R_i, где w - угловая скорость двигателя; R_i - радиус-вектор профиля в данном сечении.

Эти скольжения роликов по виткам профиля являются причиной быстрого износа контактных поверхностей и снижают надежность, так как создают повышенные потери мощности на трение, а это влечет к уменьшению кпд двигателя.

Консольное закрепление роликов относительно оси штока поршня. При консольном закреплении роликов максимальный изгибающий момент от действия сил в процессе расширения газов в цилиндре возникает в заделке и прогиб конца оси ролика. От прогиба оси ролика поворачивается и ролик относительно профиля. Ввиду этого происходит неравномерный контакт ролика с профилем. В результате возникают упругие деформации, которые резко снижают надежность. Кроме того, прогиб увеличивает величину камеры сжатия в цилиндре, а ввиду этого изменяется и степень сжатия, а в результате существенно снижается мощность двигателя.

У каждого ролика вращается наружное кольцо. При вращении наружного кольца происходит преждевременный износ и усталость материала, что ведет к снижению прочности и долговечности подшипника на 15-25%.

Более опасным является случай, когда неподвижно внутреннее кольцо, при этом подшипник выходит из строя из-за местного износа внутреннего кольца вследствие высоких напряжений между внутренним кольцом и шариками в нагруженной части подшипника.

Межцентровое расстояние у роликов по величине не изменяется. Однако у преобразующего вращения механизма профильные секции по величине различны, т. е. одна секция в два раза длиннее другой. При наличии различных длин изменяются и углы наклона этих секций, а ввиду этого изменяются и расстояния при контакте роликов с профилем, т.е. образуются зазоры между роликами и профилем, что недопустимо в подобных механизмах.

Сила, действующая на поршень от расширения газов в цилиндре двигателя, раскладывается при контакте ролика с профилем, а полезная, создающая крутящий момент на валу двигателя, определяется произведением этой силы на тангенс угла наклона профильной секции.

У этого двигателя угол наклона профильной секции равен 25^o. Тангенс этого угла равен 0,4663. Следовательно, для создания полезного крутящего момента используется только 0,4663 силы от расширения газов в цилиндре двигателя, т.е. 35,63%.

Известен бескривошипный двигатель внутреннего сгорания (патент Российской Федерации 2128774, кл. F 01 В 9/02, F 02 В 75/26, 1997 г.), который принят за прототип.

Двигатель содержит блок цилиндров с аксиально расположенными цилиндрами, в которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения поршни, газораспределительный механизм с кулачковым диском, приводимый в действие клапана, многопериодный пространственный силовой механизм, преобразующий возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение вала, на передней и задней торцовых поверхностях обода маховика многопериодного пространственного силового механизма выполнены правого и левого направлений тородуговинтовые профили с четным количеством полупериодов t, каждый полупериод правого направления последовательно сопряжен с полупериодом левого направления, полупериоды разделены эллиптическими и гиперболическими точками перегиба, каждая эллиптическая точка перегиба является верхней мертвой точкой осевого хода поршня, а гиперболическая точка перегиба является нижней мертвой точкой осевого хода поршня, передний и задний тородуговинтовые профили в радиальной плоскости образованы дугой окружности радиусом R_п, профили выполнены наклонными на угол β относительно радиальной плоскости, при этом центр радиуса R_п расположен на наклонной линии, перпендикулярной к касательной, проходящей через точку, лежащую на линии образующей делительной окружности профиля, а по развернутой делительной окружности цилиндра обода на плоскость образованы выпуклыми дугами окружностей радиусом R₁ и вогнутыми дугами окружностей радиусом R₂, которые плавно и касательно сопряжены с винтовыми линиями правого и левого направлений, расстояние от эллиптической точки перегиба до гиперболической точки перегиба в осевом направлении равно осевому ходу поршня S, на наружных поверхностях роликов выполнены желоба, ролики установлены с возможностью взаимодействия их желобов с передним и задним тородуговинтовыми профилями обода маховика многопериодного пространственного силового механизма, каждый ролик выполнен в виде двухрядного концентричного радиально-упорного шарикоподшипника с вращающимся внутренним кольцом, выполненным за одно целое с роликом.

Недостатком этого двигателя является то, что подробно не раскрыто конструктивное исполнение газораспределительного механизма управления движениями клапанов, а также и соединение поршня со штоком.

Задача, решаемая изобретением, не порочит новизну технического решения изобретения патента 2128774, а дополняются новые технические решения, которые могут быть использованы предприятиями-изготовителями данных двигателей.

Техническая задача, решаемая изобретением, - упрощение конструкции и повышение надежности двигателя, увеличение эффективной мощности путем снижения механических потерь и путем удлинения хода поршня в радиальном направлении, снижения расхода топлива на единицу мощности, увеличения срока службы двигателя в целом и повышения коэффициента полезного действия двигателя.

Техническая задача решена в бескривошипном двигателе, содержащем блок цилиндров с аксиально расположенными цилиндрами, в которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения поршни, газораспределительный механизм с кулачковыми диском, приводимый в действие клапана, многопериодный пространственный силовой механизм, преобразующий возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение вала, на передней и задней торцовых поверхностях обода маховика многопериодного пространственного силового механизма выполнены правого и левого направлений тородуговинтовые профили с четным количеством полупериодов t, каждый полупериод правого направления последовательно сопряжен с полупериодом левого направления, полупериоды разделены эллиптическими и гиперболическими точками перегиба, каждая эллиптическая точка перегиба является верхней мертвой точкой осевого хода поршня, а гиперболическая точка перегиба является нижней мертвой точкой осевого хода поршня, передний и задний тородуговинтовые профили в радиальной плоскости образованы дугой окружности радиусом R_п, профили выполнены наклонными на угол β относительно радиальной плоскости, при этом центр радиуса R_п расположен на наклонной линии, перпендикулярной к касательной, проходящей через точку, лежащую на линии образующей делительной окружности профиля, а по развернутой делительной окружности цилиндра обода на плоскость образованы выпуклыми дугами окружностей радиусом R₁ и вогнутыми дугами окружностей радиусом R₂, которые плавно и касательно сопряжены с винтовыми линиями правого и левого направлений, расстояние от эллиптической точки перегиба до гиперболической точки перегиба в осевом направлении равно осевому ходу поршня S, на наружных поверхностях роликов выполнены желоба, ролики установлены с возможностью взаимодействия их желобов с передним и задним тородуговинтовыми профилями обода маховика многопериодного пространственного силового механизма, каждый ролик выполнен в виде двухрядного концентричного радиально-упорного шарикоподшипника с вращающимся внутренним кольцом, выполненным за одно целое с роликом.

Двигатель выполнен с двумя передним и задним блоками цилиндров, между которыми соосно установлен корпус многопериодного пространственного силового механизма, в цилиндрах переднего и заднего блоков размещены поршни, которые соосно соединены со штоками шаровыми соединениями, каждый передний и задний шток снабжен на конце шаровой головкой, которая выполнена в виде шарового пояса и установлена соосно со штоком и закреплена от осевого перемещения коническим резьбовым вкладышем, а вкладыш застопорен стопором, шаровую головку охватывают своими сферическими отверстиями вкладыши, установленные в осевом отверстии поршня, а вкладыши закреплены от осевого перемещения гайками, шайбой и стопорным кольцом. На втором конце у каждого штока, обращенном к ободу маховика, имеются вилковидные головки, выполненные совмещенными за одно целое со штоком, в проушинах вилковидных головок установлены рабочие ролики, на наружных поверхностях этих роликов выполнен профиль желобов с наклоном на угол β относительно оси вращения ролика, а центр радиуса ролика R_ж расположен на наклонной линии, перпендикулярной к касательной желоба. Верхняя и нижняя обоймы рабочих роликов сцентрированы в отверстиях вилковидной головки штока, обоймы закреплены от осевого перемещения двумя верхней и нижней гильзами, которые соединены между собой резьбовым соединением и зафиксированы от осевого перемещения центральным, проходящим через их отверстия стержнем. Головка стержня установлена в пазу нижней гильзы, а верхняя гильза со стержнем соединены шлицевым соединением, а стержень закреплен гайкой и застопорен шайбой. Передняя и задняя вилковидные головки штоков соединены ползуном на расстояние Н между осями роликов. На правой и левой боковых сторонах ползуна выполнены угловидные в угол 90^o продольные в осевом направлении дорожки качения, продольные в осевом направлении двухсторонние угловидные в угол 90^o дорожки качения выполнены и на переднем и заднем штоках. По правой и левой сторонам ползуна, а также и по сторонам переднего и заднего штоков установлены направляющие ролики, на наружных поверхностях направляющих роликов выполнены дуговидные желоба в виде трех сопряженных дуг окружностей, двух боковых радиусом R_н и одной впадины радиусом R_в. Направляющие ролики установлены с возможностью взаимодействия их же дуговидных желобов с дорожками качения ползуна и штоков. В переднем и заднем блоков цилиндров размещены выпускные подпружиненные пружинами клапана. Кулачковые диски распределения выпуска газов установлены на подшипниках качения и кинематически связаны с планетарными редукторами, каждый кулачковый диск имеет на торцевой поверхности его обода торовидные кулачки, которые плавно и касательно сопряжены с общим торовидным профилем диска, при этом профиль выполнен наклонным на угол β_к относительно оси клапана, а центр радиуса R_к - радиальной кривизны данного профиля диска расположен на наклонной линии, перпендикулярной к касательной профиля. Ролики клапанов установлены с возможностью взаимодействия их желобов с торовидным профилем кулачкового диска. Рабочие ролики, направляющие ролики, а также и ролики клапанов снабжены масляными камерами струйной форсуночной смазки их подшипников, которые выполнены в центральных соединительных стержнях этих роликов.

Подшипники кулачкового диска газораспределительного механизма выполнены с промежуточными вращающимися кольцами, при этом ряды тел качения установлены концентрично один ряд другому с возможностью их взаимодействия с внутренними и внешними дорожками качения промежуточных вращающихся колец, а телами качения могут быть шарики, игольчатые или цилиндрические ролики.

При шаровом соединении поршня со штоком в процессе работы двигателя обеспечивается возможность осевого поворота поршня относительно цилиндра, а ввиду этого и равномерный износ зеркала цилиндра. Поэтому срок службы цилиндров больше по сравнению с поршнями, которые соединены при помощи пальца.

На фиг. 1 изображен бескривошипный двигатель, продольный разрез в двух взаимно перпендикулярных плоскостях; на фиг.2 - то же, разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3 - то же, разрез по Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - то же, сечение по В-В на фиг.2; на фиг.5 - то же, частичный осевой разрез рабочего ролика и ползуна; на фиг.6 - то же, разрез по Г-Г на фиг.5; на фиг.7 - осевой разрез поршня;
на фиг.8 - сечение направляющего ролика;
на фиг.9 - разрез ролика привода клапанов;
на фиг.10 - вид по стрелке Д на фиг.9;
на фиг.11 - частичный поперечный разрез цилиндра по продувочным окнам;
на фиг.12 - частичный разрез подшипника привода клапанов;
на фиг.13 - один период тородуговинтового профиля, развертка по делительной окружности;
на фиг.14 - сечение тородуговинтового профиля по точкам перегиба.

Бескривошипный двигатель содержит два передний 1 и задний 2 блока цилиндров, между которыми соосно установлен корпус 3 многопериодного пространственного силового механизма, а к вторым торцам этих блоков 1 и 2 установлены головки блоков передняя 4 и задняя 5. В аксиальных и диаметрально противоположных одно другому отверстиях переднего 1 и заднего 2 блоков установлены цилиндры 6, в которых размещены с возможностью возвратно-поступательных движений поршни 7. Поршни 7 соосно соединены со штоками 8 шарнирными соединениями. Каждый передний и задний шток 8 снабжен на конце шаровой головкой 9, которая выполнена в виде шарового пояса и установлена соосно со штоком и закреплена от осевого перемещения коническим резьбовым вкладышем 10, а вкладыш застопорен стопором 11. Шаровую головку 10 охватывают своими сферическими отверстиями вкладыши 12 и 13, установленные в осевом цилиндрическом отверстии поршня 7, а вкладыши закреплены от осевого перемещения двумя гайками 14, шайбой 15 и стопорным кольцом 16. На втором конце, обращенном к ободу маховика, у каждого штока 8 имеются вилковидные головки 17, выполненные совмещенными за одно целое со штоком 8. В проушинах вилковидных головок 17 установлены рабочие ролики 18. На наружных поверхностях этих роликов выполнены желоба 19, при этом профиль желобов выполнен с наклоном на угол β относительно оси вращения ролика, а центр радиуса ролика R_ж расположен на наклонной линии, перпендикулярной к касательной желоба. На торцовых поверхностях роликов 18 выполнены концентричные кольцевые углубления 20 и 21. На внутренних переходных поверхностях этих углублений выполнены дорожки качения 22 и 23, и в целом представляют собой внутренние кольца двухрядных концентричных радиально-упорных шарикоподшипников. В этих углублениях размещены ряды шариков 24 и 25, которые установлены в гнездах сепараторов 26 и 27. Верхние ряды шариков охвачены верхней обоймой 28, а нижние ряды шариков охвачены нижней обоймой 29. На внутренних поверхностях обойм 28 и 29 выполнены ответные дорожки качения 30 и 31. Шарики 24 и 25 установлены с возможностью взаимодействия с дорожками качения 22, 23, 30 и 31. При такой компановке каждый ролик 18 представляет собой двухрядный концентричный радиально-упорный шарикоподшипник с вращением внутренних колец, выполненных совмещенными за одно целое с роликом. Верхняя 28 и нижняя 29 обоймы сцентрированы в отверстиях полок вилковидной головки 17 штока. Верхняя 28 и нижняя 29 обоймы закреплены от осевого перемещения двумя верхней 32 и нижней 33 гильзами, которые соединены между собой резьбовым соединением. Верхняя 32 и нижняя 33 гильзы зафиксированы от осевого перемещения центральным, проходящим через их отверстия, стержнем 34. Головка центрального стержня 34 установлена в пазу 35 нижней гильзы 33, а верхняя гильза 32 соединена со стержнем шлицевым соединением 36, выполненным в отверстии верхней гильзы 32 и на стержне 34. Центральный стержень 34 закреплен от осевого перемещения гайкой 37 со стопорной шайбой 38.

Передняя и задняя вилковидные головки 17 штоков соединены ползуном 39 на расстояние Н между осями роликов 18 и закреплены винтами 40. На правой и левой боковых сторонах ползуна 39 выполнены угловидные в угол 90^o продольные в осевом направлении дорожки качения 41. Продольные в осевом направлении двухсторонние и угловидные в угол 90^o дорожки качения 42 выполнены и на переднем и заднем штоках 8. По правой и левой сторонам ползуна 39, а также и по сторонам переднего и заднего штоков 8 установлены направляющие ролики 43. На наружных поверхностях роликов 43 выполнены дуговидные желоба 44 в виде трех сопрягаемых дуг окружностей, двух боковых радиусом R_н и одной впадины радиусом R_в. Направляющие ролики 43 установлены с возможностью взаимодействия их желобов 44 с дорожками качения 41 ползуна и с дорожками качения 42 штоков. Направляющие ролики 43 выполнены в виде двухрядных радиально-упорных шарикоподшипников с вращающимися внутренними кольцами, выполненными совмещенными за одно целое с роликом. На торцевых поверхностях направляющих роликов 43 сверху и снизу выполнены кольцевые углубления 45, на внутренних переходных поверхностях этих углублений выполнены дорожки качения 46, а в целом представляют собой внутренние совмещенные кольца двухрядного радиально-упорного шарикоподшипника. В этих углублениях размещены верхний и нижний ряды шариков 47, которые установлены в гнездах сепараторов 48. Верхние ряды шариков 47 охвачены верхней обоймой 49, на внутренней поверхности которой выполнены ответные дорожки качения 50. Нижние ряды шариков 47 охвачены нижней обоймой 51, на внутренней поверхности которой выполнены ответные дорожки качения 52. Обоймы 49 и 51 сцентрированы в отверстиях корпуса 53 направляющих роликов ползуна, а также и в отверстиях корпуса 54 направляющих роликов переднего и заднего штоков. Обоймы 49 и 51 соединены между собой центральным стержнем 55, проходящим через их отверстия. Головка стержня 55 установлена в пазу нижней обоймы, а верхняя обойма закреплена гайками 56 и 57 со стопорной шайбой 58. Корпуса 53 установлены на корпусе 3 многопериодного пространственного силового механизма, а корпуса 54 к торцам переднего и заднего блокам цилиндров 1 и 2.

Основной рабочей деталью в многопериодном пространственном силовом механизме, преобразующем возвратно-поступательные движения поршней во вращение центрального вала 59 двигателя, является маховик (ротор) 60. На передней и задней торцовых поверхностях обода маховика выполнены правого и левого направлений тородуговинтовые профили с четным количеством полупериодов t. Каждый полупериод правого направления последовательно сопряжен с полупериодом левого направления, при этом каждая эллиптическая точка перегиба 61 является верхней мертвой точкой хода поршня, а гиперболическая точка перегиба 62 соответственно является нижней мертвой точкой хода поршня.

На передней и задней торцовых поверхностях тородуговинтовые профили в радиальной плоскости образованы дугами окружностей радиусом R_п. По развернутой делительной окружности цилиндра обода на плоскость профиль имеет выпуклую кривизну радиуса R₁ и вогнутую кривизну радиуса R₂, которые плавно сопряжены с наклонной на угол винтовой линией 63.

Теоретический профиль по развернутой делительной окружности или (эквидистантный профиль) образованы в виде выпуклой и вогнутой окружностей радиуса R, а эти окружности плавно сопряжены с винтовой линией.

При кинематическом исследовании многопериодного пространственного силового механизма действительный тородуговинтовой профиль заменяется теоретическим (эквидистантным) профилем.

Действительный профиль разделен на периоды Т, а каждый период разделен на полупериоды t, полупериод в свою очередь разделен на фазы. Первая фаза с выпуклой тройной кривизной, вторая фаза с выпуклой двойной кривизной, а третья фаза с вогнуто-выпуклой кривизной.

Параметры тородуговинтовых профилей определены выше.

Маховик (ротор) 60 с ободом 64 установлен на валу 59 двигателя и соединен с валом при помощи зубчатого соединения (конструктивное исполнение этого соединения изложено в описании изобретения, авторское свидетельство 1209955, 1982 г.).

Вал двигателя 59 установлен на трех подшипниковых опорах. Две опоры состоят из радиально-упорных шарикоподшипников 65, установленных в корпусе 3 многопериодного пространственного силового механизма, а крайняя опора состоит из роликоподшипника 66, установленного в задней головке блока 5. Соосно с опорами 65 установлены передний 67 и задний 68 планетарные понижающие обороты редукторы. Кулачковые диски передний 69 и задний 70 газораспределительного механизма управления движением клапанов выпуска газов кинематически связаны с соответствующими планетарными редукторами и установлены на подшипниках качения 71. Подшипники качения выполнены с промежуточными вращающимися кольцами 72. Каждый кулачковый диск имеет на торцовой поверхности его обода торовидные кулачки 73, которые плавно и касательно сопряжены с общим торовидным профилем диска, при этом профиль выполнен наклонным на угол β_к относительно оси клапана, а центр радиуса R_к - радиальной кривизны данного профиля диска расположен на наклонной линии, перпендикулярной к касательной профиля.

В переднем 1 и заднем 2 блоков цилиндров размещены выпускные подпружиненные пружинами 74 клапана 75. На нижнем конце штока у каждого клапана выполнена за одно целое со штоком вилка 76. В проушине вилки установлен ролик клапана 77. Ролики клапанов 77 по конструкции аналогичны рабочим роликам 18 и представляют собой двухрядные концентричные радиально-упорные совмещенные шарикоподшипники с вращающимися внутренними кольцами. На торцовых поверхностях выполнены концентричные кольцевые проточки, а их внутренние переходные поверхности являются беговыми дорожками качения 78 и 79. В проточках размещены ряды шариков 80 и 81, установленные в сепараторах 82 и 83. Ряды шариков 80 охвачены обоймой 84, на внутренней поверхности которой выполнены ответные беговые дорожки качения 85. Ряды шариков 81 охвачены обоймой 86, на внутренней поверхности которой выполнены ответные беговые дорожки качения 87. Ряды шариков 80 взаимодействуют с дорожками качения 78 и 85, а ряды шариков 81 взаимодействуют с дорожками качения 79 и 87. На внешних торцовых поверхностях обойм 84 и 86 выполнены параллельные шипы, а в проушинах вилок 76 - соответствующие шипам пазы, в которых размещены шипы обойм. Обоймы 84 и 86 совместно со стенками вилок соединены центральным соединительным полым стержнем 88, по образующей которого выполнены маслоструйные отверстия 89, и закреплены гайкой 90 с шайбой 91.

В центре переднего блока цилиндров 1 установлен соосно с центральным валом 59 двигателя вспомогательный вал 92, который предназначен для привода вспомогательных механизмов. Вал 92 сцентрирован в шлицевом отверстии вала 59 и установлен на передней подшипниковой опоре 93, которая установлена в головке блока 4.

Продувочно-впускные окна в цилиндрах 6 выполнены наклонными, а внешние поверхности перемычек у этих окон образованы дугами окружностей радиусом r_п.

По образующим центральных стержней 34, верхней 32 и нижней 33 гильз рабочих роликов, а также и по образующим центральных стержней направляющих роликов выполнены маслоструйные отверстия для смазки соответствующих их подшипников.

Передний 1 и задний 2 блоки цилиндров совместно с корпусом 3 многопериодного пространственного силового механизма закреплены между собой анкерными связями 94.

Обоснование параметров и работа бескривошипного движения.

Двигатель характеризуется рядом основных параметров, которые могут быть объединены в три основные группы: конструктивные, термодинамические, эксплуатационные.

Конструктивные параметры характеризуют использование рабочего объема, тепловую и динамическую нагрузку деталей двигателя.

К эксплуатационным параметрам относятся экономичность, надежность и технологичность обслуживания.

Под экономичностью двигателя понимают расход топлива на единицу мощности, или удельный расход топлива показывает, сколько расходуется топлива на создание мощности в одну лошадиную силу в час.

Основным конструктивным параметром данного двигателя является то, что он оборудован новым многопериодным пространственным силовым механизмом, преобразующим возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение вала двигателя, создавая полезный крутящий момент.

Классификация эллиптической и гиперболической точек перегиба на кривизне профилей. Если в точке контакта обе величины радиуса R₁ и R_п одного знака, то главные нормальные сечения обращены вогнутостями в одну сторону. В этом случае в области точки касания кривизна расположена по одну сторону от касательной плоскости. Такая точка кривизны и называется эллиптической точкой. Если радиус R₂ и радиус R_п разных знаков, то главные нормальные сечения обращены вогнутостями в противоположные стороны. В этом случае кривые пересекаются касательной плоскостью и имеют седлообразный характер, такая точка кривизны и называется гиперболической точкой (см. И.Н.Бронштейн и др. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. Госиздат физико-математической литературы, М., 1959 г., стр.262, рис.257, а и б).

Рабочий цикл в бескривошипном двигателе осуществляется в прямой зависимости от количества полупериодов z. Например, тородуговинтовой профиль выполнен с четырьмя полупериодами t, то в этом случае два такта двухтактного двигателя осуществляются за половину оборота вала. А так как количество цилиндров в переднем 1 и заднем 2 блоках цилиндров равно количеству полупериодов по делительной окружности диаметра, то рабочие циклы одновременно осуществляются в двух диаметрально противоположных цилиндрах как в переднем 1, так и в заднем 2 блоках цилиндров, т.е. одновременно в четырех диаметрально противоположных цилиндрах 6.

Силы от расширения газов в диаметрально противоположных цилиндрах действуют в противоположных направлениях относительно диаметра D_д как в переднем 1, так и в заднем 2 блоках цилиндров. В результате этого, на обод маховика 64 многопериодного пространственного силового механизма действуют две пары сил с моментом 4FR_д вращения, а вал двигателя никакого давления не испытывает, где F - сила от расширения газов в цилиндре, R_д - радиус по делительной окружности профиля (см. С.М.Тарг. Краткий курс теоретической механики. М.: Наука, 1964 г., стр.59, пример 2, рис.52 барабан 1).

Основной характеристикой каждого двигателя является его мощность.

Согласно методике расчета двигателей внутреннего сгорания эффективная мощность двухтактного двигателя двойного действия определяется по соотношению

где Р_е - среднее эффективное давление, кгс/см²;
F_П - площадь поршня, см²;
n - частота вращения вала, об/мин;
i - число цилиндров;
S - ход поршня в осевом направлении.

В двухтактных двигателях двойного действия за каждый оборот вала совершается два рабочих цикла.

Мощность бескривошипного двигателя определяется по аналогичной методике. Но имеет отличие от вышеприведенного соотношения. Это объясняется тем, что двухтактный двигатель двойного действия за каждый оборот вала совершает четыре рабочих цикла, а также и тем, что ход поршня в осевом направлении имеет величину S, а в радиальном направлении эта величина, которую проходит поршень от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки, равна S_р.

Приведем для сравнения пример с нижеследующими данными: ход поршня в осевом направлении S=127 мм, радиус дуги окружности по делительной кривой R= 120 мм, угол подъема винтовой линии α=45^o, количество полупериодов z=4.

Полупериод по делительной окружности профиля

Диаметр по цилиндру делительной окружности профиля
D_д = Zt/π = 4×226,41/3,14159 = 288,274 мм.
Ход поршня в радиальном направлении

Коэффициент увеличения мощности К=S_р/S=203,8/127=1,605.

Эффективная мощность бескривошипного двухтактного двойного действия двигателя определена по соотношению

где Р_е - среднее эффективное давление, кгс/см²;
F_п - площадь поршня, см²;
n₁ - частота вращения вала двигателя, об/мин;
i₁ - число цилиндров;
S - ход поршня в осевом направлении, м;
S_р - ход поршня в радиальном направлении, м;
К - коэффициент увеличения мощности.

Для сравнения приведем параметры технической характеристики двигателя типа ЯАЗ-М206 (см. справочник А.М.Гугин. Быстроходные поршневые двигатели. Л.: Машиностроение, 1967 г., стр.254, табл. общие технические характеристики двигателей).

Расчет приводится в табл. 1.

В расчете принято суммарное количество цилиндров, т.е. четыре в переднем и четыре в заднем блоках.

С увеличением количества цилиндров в переднем и заднем блоках, соответственно, увеличивается и количество полупериодов, так как количество цилиндров всегда равно количеству полупериодов.

Приведем расчет, как изменяются параметры и увеличивается мощность с увеличением количества цилиндров в блоке, при постоянных диаметрах цилиндров и ходах поршней в осевом направлении, приведенных в табл. 1.

Расчет приведен в табл. 2.

Как видно из приведенного расчета, с увеличением количества цилиндров увеличивается величина хода поршня в радиальном направлении, а также и коэффициент К увеличения мощности, а также, соответственно, и цилиндровая мощность.

Работа двухтактного двигателя двойного действия, у которого тородуговинтовые профили имеют четыре полупериода.

Рабочий цикл в этом двигателе происходит следующим образом.

Первый такт соответствует ходу поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. В течение первого такта в цилиндре происходит сгорание топлива с выделением теплоты, расширение газов, выпуск выпускных газов и продувка цилиндра. Первые такты осуществляются одновременно в двух диаметрально противоположных цилиндрах как у переднего 1, так и у заднего 2 блоках цилиндров, т.е. одновременно в четырех цилиндрах.

Второй такт соответствует ходу поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке. В течение второго такта в цилиндре происходит процесс окончания выпуска и продувка, наполнение цилиндра свежим зарядом в начале хода поршня и процесс сжатия при его дальнейшем ходе. Вторые такты осуществляются одновременно в двух диаметрально противоположных цилиндрах как у переднего 1, так и у заднего 2 блоков цилиндров, т.е. одновременно в четырех цилиндрах.

Работа двухтактного двигателя двойного действия, у которого тородуговинтовые профили имеют шесть полупериодов.

Первые такты осуществляются одновременно в трех цилиндрах как у переднего 1, так и у заднего 2 блоках цилиндров, т.е. одновременно в шести цилиндрах 6.

Вторые такты осуществляются одновременно в трех цилиндрах как у переднего 1, так и у заднего 2 блоках цилиндров, т.е. одновременно в шести цилиндрах 6.

В результате этого на обод маховика многопериодного пространственного силового механизма действуют три пары сил с моментом 6FR_д вращения, а вал двигателя никакого давления не испытывает.

Работа двухтактного двигателя двойного действия, у которого тородуговинтовые профили имеют восемь полупериодов.

Первые такты осуществляются одновременно в четырех цилиндрах как у переднего 1, так и у заднего 2 блоках цилиндров, т.е. одновременно в восьми цилиндрах 6.

Вторые такты осуществляются одновременно в четырех цилиндрах как у переднего 1, так и у заднего 2 блоках цилиндров, т.е. одновременно в восьми цилиндрах 6.

В результате этого, на обод маховика многопериодного пространственного силового механизма действуют четыре пары сил с моментом 8FR_д вращения, а вал двигателя никакого давления не испытывает.

И так далее, при десяти и двенадцати полупериодах тородуговинтовых профилей.

Таким образом, рабочие циклы совершаются за два полупериода, т.е. один такт за один полупериод.

Газораспределительным клапанным устройством осуществляется смена заряда в рабочем цилиндре двигателя, очистка цилиндра от продуктов сгорания и заполнение его свежим зарядом горячей смеси или воздухом. Клапаны, расположенные в блоке цилиндров, называются нижними. При нижнем расположении клапанов упрощается устройство, уменьшается количество деталей газораспределения.

В бескривошипном двухтактном двигателе двойного действия применена клапанно-щелевая схема газообмена. Газораспределительное устройство содержит выпускные клапана 75, гидравлические штоки (толкатели), автоматически устраняющие зазоры между клапанами и их седлами, что снижает шум при работе двигателя. На нижнем конце штока выполнена вилка, в проушине которой установлен ролик 77 клапана. Ролики 77 установлены с возможностью взаимодействия их желобов с торовидными профилями и кулачками 73, выполненными на кулачковых дисках 69 и 70. Количество кулачков 73 на каждом кулачковом диске наполовину меньше количества полупериодов тородуговинтового профиля многопериодного пространственного силового механизма. Кулачковые диски 69 и 70 управления движениями клапанов выпуска газа кинематически связаны с одноступенчатыми планетарными редукторами, установленными соосно с валом двигателя, и приводятся в действие при взаимодействии шестерен, выполненных на валу 59. Планетарные редукторы выполнены понижающими обороты кулачковых дисков 69 и 70 относительно оборотов вала 59, а передаточное число равно двум.

При наличии многопериодного пространственного силового механизма осуществляется прямолинейное движение поршней, а также создается возможность приблизить цилиндры к корпусу механизма. Благодаря чему создается простота и компактность конструкции и уменьшаются габариты двигателя. Поэтому трудоемкость изготовления на 20-25% ниже по отношению к современным двигателям.

Таким образом, многопериодный пространственный силовой механизм является одним из основных и перспективных способов получения малогабаритных легких бескривошипных двигателей с высокой степенью форсирования по быстроходности.

Бескривошипная схема двигателя позволяет получить значительно большие мощности при неизменной частоте вращения центрального вала, а также и при неизменном диаметре цилиндра нижеследующими способами: повышением степени сжатия путем увеличения осевого хода поршня, увеличения количества полупериодов, а также и цилиндров.

Все вышеизложенные достоинства открывают широкие перспективы применения бескривошипных двигателей внутреннего сгорания на автомобилях, тракторах, судах в качестве привода генераторов, в авиации, а также в других транспортных средствах и областях техники, т.е. там, где первостепенное значение имеют малая масса двигателя и минимальная вибрация, а также и сравнительно небольшая стоимость.

Формула изобретения

1. Бескривошипный двигатель, содержащий блок цилиндров с аксиально расположенными цилиндрами, в которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения поршни, газораспределительный механизм с кулачковым диском, приводимый в действие клапана, многопериодный пространственный силовой механизм, преобразующий возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение вала, на передней и задней торцевых поверхностях обода маховика многопериодного пространственного силового механизма выполнены правого и левого направлений тородуговинтовые профили с четным количеством полупериодов t, каждый полупериод правого направления последовательно сопряжен с полупериодом левого направления, полупериоды разделены эллиптическими и гиперболическими точками перегиба, каждая эллиптическая точка перегиба является верхней мертвой точкой осевого хода поршня, а гиперболическая точка перегиба является нижней мертвой точкой осевого хода поршня, передний и задний тородуговинтовые профили в радиальной плоскости образованы дугой окружности радиусом R_п, профили выполнены наклонными на угол β относительно радиальной плоскости, при этом центр радиуса R_п расположен на наклонной линии, перпендикулярной к касательной, проходящей через точку, лежащую на линии образующей делительной окружности профиля, а по развернутой делительной окружности цилиндра обода на плоскость образованы выпуклыми дугами окружностей радиусом R₁ и вогнутыми дугами окружностей радиусом R₂, которые плавно и касательно сопряжены с винтовыми линиями правого и левого направлений, расстояние от эллиптической точки перегиба до гиперболической точки перегиба в осевом направлении равно осевому ходу поршня S, на наружных поверхностях роликов выполнены желоба, ролики установлены с возможностью взаимодействия их желобов с передним и задним тородуговинтовыми профилями обода маховика многопериодного пространственного силового механизма, каждый ролик выполнен в виде двухрядного концентричного радиально-упорного шарикоподшипника с вращающимся внутренним кольцом, выполненным за одно целое с роликом, отличающийся тем, что двигатель выполнен с двумя, передним и задним, блоками цилиндров, между которыми соосно установлен корпус многопериодного пространственного силового механизма, в цилиндрах переднего и заднего блоков размещены поршни, которые соосно соединены со штоками шаровыми соединениями, каждый передний и задний шток снабжен на конце шаровой головкой, которая выполнена в виде шарового пояса и установлена соосно со штоком и закреплена от осевого перемещения коническим резьбовым вкладышем, а вкладыш застопорен стопором, шаровую головку охватывают своими сферическими отверстиями вкладыши, установленные в осевых отверстиях поршня, а вкладыши закреплены от осевого перемещения гайками, шайбой и стопорным кольцом, на втором конце у каждого штока, обращенном к ободу маховика, имеются вилковидные головки, выполненные совмещенными за одно целое со штоком, в проушинах вилковидных головок установлены рабочие ролики, на наружных поверхностях этих роликов выполнены желоба, профиль желобов выполнен с наклоном на угол β относительно оси вращения ролика, а центр радиуса ролика R_ж расположен на наклонной линии, перпендикулярной к касательной желоба, верхняя и нижняя обоймы рабочих роликов сцентрированы в отверстиях вилковидной головки штока, обоймы закреплены от осевого перемещения двумя, верхней и нижней гильзами, которые соединены между собой резьбовым соединением и зафиксированы от осевого перемещения центральным, проходящим через их отверстия стержнем, головка стержня установлена в пазу нижней гильзы, а верхняя гильза со стержнем соединены шлицевым соединением, а стержень закреплен гайкой и застопорен шайбой, передняя и задняя вилковидные головки штоков соединены ползуном на расстояние Н между осями роликов, на правой и левой боковых сторонах ползуна выполнены угловидные в угол 90^o продольные в осевом направлении дорожки качения, продольные в осевом направлении двухсторонние угловидные в угол 90^o дорожки качения выполнены на переднем и заднем штоках, по правой и левой сторонам ползуна, а также и по сторонам переднего и заднего штоков установлены направляющие ролики, на наружных поверхностях направляющих роликов выполнены дуговидные желоба в виде трех сопряженных дуг окружностей, двух боковых радиусом R_н и одной впадины радиусом R_в, направляющие ролики установлены с возможностью взаимодействия их дуговидных желобов с дорожками качения ползуна и штоков, в переднем и заднем блоках цилиндров размещены выпускные подпружиненные пружинами клапаны, кулачковые диски распределения выпуска газов установлены на подшипниках качения и кинематически связаны с планетарными редукторами, каждый кулачковый диск имеет на торцовой поверхности его обода торовидные кулачки, которые плавно и касательно сопряжены с общим торовидным профилем диска, при этом профиль выполнен наклонным на угол β_к относительно оси клапана, а центр радиуса R_к - радиальной кривизны данного профиля диска расположен на наклонной линии, перпендикулярной к касательной профиля, ролики клапанов установлены с возможностью взаимодействия их желобов с торовидными профилями кулачкового диска, рабочие ролики, направляющие ролики, а также и ролики клапанов снабжены масляными камерами струйной форсуночной смазки их подшипников, которые выполнены в центральных соединительных стержнях этих роликов.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что подшипники кулачкового диска газораспределительного механизма выполнены с промежуточными вращающимися кольцами, при этом ряды тел качения установлены концентрично один ряд другому с возможностью их взаимодействия с внутренними и внешними дорожками качения промежуточных вращающихся колец, а телами качения могут быть шарики, игольчатые или цилиндрические ролики.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16