Механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала двигателя внутреннего сгорания

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в компрессорах, а также установках, где вращательное движение преобразуется в возвратно-поступательное. Механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала двигателя внутреннего сгорания содержит цилиндр с оппозитно расположенными поршнями, соединенными штоками с расположенными на них зубчатыми рейками, скользящими по образующей цилиндра, на которых выполнены проточки радиусом наружной окружности зубчатого сектора, центры которых расположены на вертикальной оси цилиндра и отстоящих друг от друга на величину хода поршня, зубчатый сектор, выполненный на полуокружности, длина которого равна ходу поршня, который на выходящей из зацепления с рейками стороне срезан на толщину, равную высоте зуба, причем зубчатый сектор расположен на ведущем валу между рейками и периодически входит в зацепление с зубчатыми рейками. Ось цилиндра и ось вращения зубчатого сектора смещены в одну сторону на величину эксцентриситета от геометрической оси сектора, длина полуокружности сектора и развернутой поверхности зубчатой части рейки равны между собой и обеспечивают заданный ход поршня, а профиль зубчатой рейки выполнен в соответствии с зависимостью:

,

где ОА=R_з - расстояние от оси вращения зубчатого сектора до точки зацепления его с зубчатой рейкой, м;

ε - эксцентриситет;

R - радиус полуокружности зубчатого сектора, м;

α - угол поворота радиуса зубчатого сектора, град,

а на рейках выполнены проточки большим радиусом зацепления, центры которых лежат на оси вращения сектора и отстоят друг от друга по вертикали на величину хода поршня. Оси вращения зубчатых секторов не совпадают с осью цилиндра и смещены в разные стороны от оси цилиндра, а эксцентриситеты секторов смещены от их геометрических осей в одну сторону. Изобретение обеспечивает снижение сил инерции, возникающих при резком изменении направления движения поршней и повышение мощности двигателя. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в компрессорах, а также установках, где вращательное движение преобразуется в возвратно-поступательное.

Известен приводной механизм ведущего вала двигателя внутреннего сгорания [1], содержащий корпус с цилиндром, поршень с тягой и толкателем, установленный в цилиндре с образованием камеры сгорания, зубчатую рейку, установленную на тяге, приводной вал, смещенный от оси поршня, зубчатый сектор, размещенный на приводном валу с возможностью периодического взаимодействия с зубчатой рейкой и устройством для возврата поршня в верхнюю мертвую точку.

Недостатком этого механизма является сложность конструкции из-за наличия специального устройства для возврата поршня в верхнюю мертвую точку и системы рычагов.

Известен приводной механизм двигателя внутреннего сгорания [2], содержащий тягу, соединенную шарнирно с поршнем, и зубчатую рейку, входящую в зацепление с зубчатым сектором, толкатель, взаимодействующий с профильным кулачком по криволинейным участкам подъема, спуска и остановки поршня.

Недостатком этого технического решения является наличие дополнительного профильного кулачка, толкателя и направляющей втулки, что усложняет конструкцию и увеличивает габариты двигателя.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является приводной механизм двигателя внутреннего сгорания [3], принятый за прототип. Механизм состоит из цилиндра с оппозитно расположенными поршнями, жестко соединенными штоками с расположенными на них зубчатыми рейками. Между рейками на осях цилиндра расположен зубчатый сектор с приводным валом. Длина полуокружности зубчатого сектора равна ходу поршня. Зубчатый сектор со стороны схода зубьев из зацепления срезан на высоту зуба перпендикулярно диаметру полуокружности. На зубчатых рейках выполнены две проточки радиусом полуокружности зубчатого сектора, которые смещены одна относительно другой на величину хода поршня.

Недостатком этого технического решения являются значительные силы инерции, возникающие в механизме при резком изменении направления движения поршней в мертвых точках.

Целью изобретения является снижение сил инерции, возникающих при резком изменении направления движения поршней и повышение мощности двигателя.

Указанная цель достигается за счет усовершенствования кинематической связи поршней с ведущим валом в механизме с оппозитно расположенными поршнями в рабочем цилиндре и зубчатыми рейками, входящими периодически в зацепление с зубчатым сектором, расположенным на ведущем валу.

Новым в заявляемом изобретении является то, что механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала двигателя внутреннего сгорания содержит цилиндр с оппозитно расположенными поршнями, соединенными штоками с расположенными на них зубчатыми рейками, скользящими по образующей цилиндра, на которых выполнены проточки радиусом наружной окружности зубчатого сектора, центры которых расположены на вертикальной оси цилиндра и отстоящих друг от друга на величину хода поршня, зубчатый сектор, выполненный на полуокружности, длина которого равна ходу поршня, который на выходящей из зацепления с рейками стороне срезан на толщину, равную высоте зуба, причем зубчатый сектор расположен на ведущем валу между рейками и периодически входит в зацепление с зубчатыми рейками.

Ось цилиндра и ось вращения зубчатого сектора смещены в одну сторону на величину эксцентриситета от геометрической оси сектора, длина полуокружности сектора и развернутой поверхности зубчатой части рейки равны между собой и обеспечивают заданный ход поршня, а профиль зубчатой рейки выполнен в соответствии с зависимостью:

,

где ОА = R_з - расстояние от оси вращения зубчатого сектора до точки зацепления его с зубчатой рейкой, м;

ε - эксцентриситет;

R - радиус полуокружности зубчатого сектора, м;

α - угол поворота радиуса зубчатого сектора, град,

а на рейках выполнены проточки большим радиусом зацепления, центры которых лежат на оси вращения сектора и отстоят друг от друга по вертикали на величину хода поршня.

Оси вращения зубчатых секторов не совпадают с осью цилиндра и смещены в разные стороны от оси цилиндра, а эксцентриситеты секторов смещены от их геометрических осей в одну сторону.

Благодаря этим признакам приводной вал вращается с постоянной частотой, а поршень движется с переменной скоростью, достигая минимального значения по мере приближения к мертвым точкам. Наличие эксцентриситета и вхождение в зацепление зубчатого сектора с большим радиусом вращения в момент начала рабочего хода поршня, когда давление газов в цилиндре максимально, увеличивает крутящий момент на валу, а следовательно, и мощность двигателя.

На фиг.1 и 2 изображены поперечные разрезы цилиндра двигателя внутреннего сгорания при двух крайних положениях поршней; на фиг.3 и 4 - поперечные сечения цилиндра с двумя ведущими валами, а на фиг.5 - зубчатый сектор.

Механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала двигателя внутреннего сгорания состоит из цилиндра 1, в котором размещены оппозитно расположенные верхний поршень 2 и нижний поршень 3, образующие камеры сгорания. Поршни 2 и 3 жестко соединены между собой зубчатыми рейками 4 и 5, размещенными друг против друга. Профили зубчатых реек зеркально параллельны между собой и повторяют закон движения точки А при вращении зубчатого сектора.

При вращении зубчатого сектора вокруг точки О (фиг.5) точка А при повороте на угол α движется по окружности радиусом R и последовательно занимает положения от А до А₄, находясь в зацеплении с зубчатой рейкой. Закон движения точки А относительно центра вращения О описывается уравнением:

,

где R_з - переменный радиус зацепления, м;

ε - эксцентриситет;

R - радиус полуокружности зубчатого сектора, м;

α - угол поворота зубчатого сектора, град.

В уравнении знак «-» принимается при α>90°, а знак «+» при α<90°. При α=90° уравнение принимает вид

.

В соответствии с этим законом движения точки А зубья рейки должны отстоять, при соответствующих углах поворота зубчатого сектора, на текущее расстояние ОА, т.е. иметь профиль, зависящий от угла поворота α по вышеприведенной зависимости.

На противоположных внутренних сторонах реек выполнены проточки максимальным радиусом вращения зубчатого сектора 6, установленного на ведущем валу 7 (см. фиг.1). Центры радиусов проточек расположены на вертикальной оси цилиндра и отстоят друг против друга на величину хода поршня S, а напротив центров радиусов проточек дуга проточек переходит в профиль зуба.

Зубчатый сектор выполнен на полуокружности радиусом R, длина которой больше хода поршня S, а ось его вращения лежит на оси цилиндра и не совпадает с геометрической вертикальной осью полуокружности на величину эксцентриситета ε. Длина полуокружности сектора равна развернутой длине L зубчатой рейки. На выходящей из зацепления с рейками стороне зубчатый сектор срезан на толщину, равную высоте зуба под углом наклона зубчатой рейки.

Рабочий ход поршня 3 отстоит от рабочего хода поршня 2 на 180° градусов для двухтактного двигателя и на 360° градусов для четырехтактного.

Механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.

При положении верхнего поршня 2 в нижней мертвой точке (НМТв, фиг.1) зубчатый сектор 6 не входит в зацепление с зубчатыми рейками 4 и 5 в связи с наличием проточки на рейке 4 и срезанной части зубчатого сектора 6 со стороны рейки 5, а зубья сектора 6 находятся ниже линии, соединяющей его концы. Во время сгорания рабочей смеси за счет повышения давления поршень 3 перемещается вверх и рейка 4, при начале движения поршня 3, входит в зацепление с зубчатым сектором 6 при наибольшем радиусе зацепления (фиг.5). При начале перемещения поршня 3 вверх на ведущем валу 7 создается максимальный крутящий момент, т.к. в цилиндре максимальное давление газов и максимальный радиус вращения зубчатого сектора. Крутящий момент действует в направлении движения часовой стрелки и равен произведению давления газов на радиус зацепления зубчатого сектора. По мере перемещения поршня 3 вверх радиус зацепления сектора уменьшается до (фиг.5), но за счет соответствующего профиля зубчатая рейка 4 и зубчатый сектор 6 постоянно находятся в зацеплении. При уменьшении радиуса зацепления скорость движения нижнего поршня 3 по мере приближения его к нижней мертвой точке (НМТн) замедляется. Во время движения поршня 3 к нижней мертвой точке верхний поршень 2 движется к своей верхней мертвой точке (ВМТв). Верхний поршень 2 придет к ВМТв после того, как зубчатый сектор повернется на 180°, так как длина полуокружности сектора радиусом R равна развернутой длине зубчатой рейки L, т.е. рейка с поршнями 2 и 3 переместится по вертикали на ход поршней S. Одновременно верхний поршень 2 придет в ВМТв, а зубчатый сектор 6 выйдет из зацепления с рейкой 4, но еще не войдет в зацепление с рейкой 5, так как будет находиться в проточке рейки, которая к этому времени подойдет к оси ведущего вала.

Как только верхний поршень 2 придет в ВМТв (фиг.2), произойдет сгорание топлива в его камере сгорания, и давление газов заставит его перемещаться вниз. Теперь рейка 5 войдет в зацепление с зубчатым сектором 6 при максимальном радиусе зацепления и создаст крутящий момент на ведущем валу 7, направленный также по часовой стрелке, а рейка 4 в это время не входит в зацепление с зубчатым сектором. После прихода верхнего поршня 2 в НМТв зубчатый сектор 6 завершит полный оборот и возвратится в первоначальное положение (см. фиг.1). Затем процесс повторится.

Работа приводного механизма описана для двухтактного двигателя. Для четырехтактного двигателя работа механизма аналогична, только такты выпуска и впуска будут происходить за счет вращения ведущего вала 7 от сил инерции или работы соседних цилиндров. В двигателе может быть необходимое количество цилиндров, установленных в ряд или повернутых относительно друг друга на заданный угол.

Механизм двигателя внутреннего сгорания данного типа может быть использован в двигателях или других поршневых машинах, с длиной хода поршня, ограниченной длиной полуокружности зубчатого сектора, величиной эксцентриситета и профилем зубчатых реек из-за возможности размещения их в размере диаметра цилиндра.

Для использования механизма в поршневых машинах с увеличенным ходом поршней зубчатый сектор размещается вне цилиндра. В этом случае механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное ведущего вала состоит из двух зубчатых секторов (см. фиг.3 и 4); левого 6Л и правого 6П, расположенных на ведущих валах 7Л и 7П, вращающихся в одном направлении, попеременно входящими в зацепление со своими рейками 4 и 5. Для синхронизации вращения ведущих валов 7Л и 7П они соединены между собой шестеренчатой передачей.

Конструктивное исполнение зубчатых секторов и реек, а также принцип действия механизма аналогичен вышеописанному.

Список литературы

1. Заявка Франции №2621077, кл. F02B 5/32, опубл. 1989 г.

2. Патент РФ №2055226, кл. 6 F02B 75/32, F01B 9/08, 1996 г.

3. Патент РФ №2151894, кл. 7 F02B 75/32, 2000 г.

1. Механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала двигателя внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с оппозитно расположенными поршнями, соединенными штоками с расположенными на них зубчатыми рейками, скользящими по образующей цилиндра, на которых выполнены проточки радиусом наружной окружности зубчатого сектора, центры которых расположены на вертикальной оси цилиндра и отстоящих друг от друга на величину хода поршня, зубчатый сектор, выполненный на полуокружности, длина которого равна ходу поршня, который на выходящей из зацепления с рейками стороне срезан на толщину, равную высоте зуба, причем зубчатый сектор расположен на ведущем валу, между рейками и периодически входит в зацепление с зубчатыми рейками, отличающийся тем, что ось цилиндра и ось вращения зубчатого сектора смещены в одну сторону на величину эксцентриситета от геометрической оси сектора, длина полуокружности сектора и развернутой поверхности зубчатой части рейки равны между собой и обеспечивают заданный ход поршня, а профиль зубчатой рейки выполнен в соответствии с зависимостью

,

где ОА=R_з - расстояние от оси вращения зубчатого сектора до точки зацепления его с зубчатой рейкой, м;

ε - эксцентриситет;

R - радиус полуокружности зубчатого сектора, м;

α - угол поворота радиуса зубчатого сектора, град,

а на рейках выполнены проточки большим радиусом зацепления, центры которых лежат на оси вращения сектора и отстоят друг от друга по вертикали на величину хода поршня.

2. Механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что оси вращения зубчатых секторов не совпадают с осью цилиндра и смещены в разные стороны от оси цилиндра, а эксцентриситеты секторов смещены от их геометрических осей в одну сторону.