EA003724B1 - Преобразование прямолинейного возвратно-поступательного движения во вращательное движение - Google Patents

Abstract

Устройство для преобразования возвратно-поступательного прямолинейного движения во вращательное движение и наоборот, содержащее шатун (4), установленный на планетарной шестерне (3), входящей в зацепление с шестерней с наружным или внутренним зацеплением. Радиус делительной окружности шестерни (1, 27) и планетарной шестерни (3) позволяет получить передаточное отношение 2:1. Палец (15) шатуна (4) совершает прямолинейное движение, и это позволяет получить некоторые преимущества, в частности, в двигателях внутреннего сгорания.

Description

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройству, которое может быть использовано вместо классического кривошипного механизма для преобразования возвратно-поступательного линейного движения во вращательное движение и наоборот.

Точнее, предлагаемое устройство может быть применено к объемному двигателю внутреннего сгорания с возвратно-поступательным движением или к компрессору, хотя оно не ограничено таким применением.

Предпосылки для создания изобретения

Обычный кривошипный механизм двигателя внутреннего сгорания имеет несколько недостатков.

Одним из таких недостатков является сила трения, кратко обозначаемая На, которая действует между боковой поверхностью поршня и стенкой цилиндра в течение движения скольжения поршня и которая возникает вследствие реакции на толкающее действие шатуна.

Это приводит к тому, что во всех типах объемных двигателей с возвратнопоступательным движением происходит значительное падение коэффициента полезного действия, вызываемое диссипацией энергии вследствие упомянутой силы, особенно в двухходовых (двухтактных) двигателях, в случае которых в бензине используют большое количество масла (2%), с тем чтобы обеспечить удовлетворительный рабочий процесс и удовлетворительное скольжение, а сгорание бензина приводит к высокому уровню загрязнения.

Другой недостаток заключается в наличии силы опрокидывания, с которой шатун воздействует на поршень, что приводит к появлению требования, состоящего в том, чтобы поршень имел длину, которая позволяет избежать его заклинивания. Однако повышенный размер проводит к повышенному весу и, следовательно, к увеличению инерции, вследствие чего уменьшается коэффициент полезного действия.

Заметное облегчение компонентов механизма совместно с повышенной эффективностью охлаждения цилиндра могло бы быть достигнуто в том случае, если бы можно было получить определенный рабочий объем, используя небольшие расточки цилиндров и большие значения длины хода. В этом отношении классический кривошипный механизм имеет определенные пределы, поскольку он обычно содержит шатун, который в течение своего движения одновременно совершает поступательное перемещение и колебание, за счет чего предотвращается его прохождение за определенные пределы хода из-за проблем, связанных с пространством (препятствием).

Задача настоящего изобретения заключается в создании устройства, пригодного для преобразования прямолинейного возвратнопоступательного движения во вращательное движение и наоборот на основе абсолютно иного принципа, согласно которому конец вспомогательного кривошипа вместо выполнения вращательного движения будет перемещаться по прямой линии.

Еще одна задача изобретения в случае его применения к двигателю внутреннего сгорания заключается в создании устройства, которое позволяет исключить вышеупомянутые недостатки, свойственные известным техническим решениям.

В частности, устройство будет обеспечивать более эффективную передачу поршнем приводному валу усилия, создаваемого внутри камеры сгорания, посредством получения в течение каждого цикла диаграммы момента двигателя, что гораздо более предпочтительно. Поскольку мощность двигателя в каждый момент времени представляет собой произведение угловой скорости и крутящего момента, можно установить, что полная мощность будет увеличена.

Дополнительная задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы для создания устройства, предназначенного для преобразования линейного возвратно-поступательного движения во вращательное движение, использовать элементы или компоненты, которые совершают вращательное движение и естественным образом уравновешены благодаря их форме. Поэтому они не требуют дополнительных противовесов. Даже если вращение происходит с весьма высоким значением числа оборотов в минуту, вибрации приводного вала в значительной степени уменьшаются и движение будет очень ровным.

Раскрытие изобретения

Вышеупомянутые задачи, поставленные в настоящем изобретении, решаются посредством устройства для преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения во вращательное движение или наоборот, содержащего только один вспомогательный кривошип (4) и только один ротор (30), содержащий ось вращения вспомогательного кривошипа (4), оба из которых расположены только с одной стороны пальца (15) вспомогательного кривошипа;

средства (1, 3), которые сообщают вспомогательному кривошипу (4) и ротору (30) вращательное движение таким образом, что, когда вспомогательный кривошип (4) совершает поворот в одном направлении, ротор (30) поворачивается на половину этого угла, но в противоположном направлении;

при этом упомянутые средства (1, 3) содержат планетарную шестерню (3), которая выполнена как одно целое с вспомогательным кривошипом (4) и которая расположена между двумя опорами, размещенными с внутренней стороны ротора (30), а также шестерню (1) с внутренним зацеплением, которая выполнена заодно с корпусом (7); ротор (30) выполнен монолитным и расположен внутри корпуса (7);

причем диаметр делительной окружности планетарной шестерни (3) равен половине диаметра делительной окружности шестерни (1) с внутренним зацеплением;

подвод или отбор мощности осуществляется посредством вала (16), который выполнен как одно целое с ротором (30) и вращается вместе с ним.

В случае применения к двигателям внутреннего сгорания палец вспомогательного кривошипа посредством штанги или стержня подсоединяют к поршню цилиндра. Палец вспомогательного кривошипа будет совершать прямолинейное или почти прямолинейное возвратнопоступательное движение. В случае прямолинейного движения штанга или стержень необязательно должны быть подсоединены к поршню посредством шарнирного соединения и могут быть жестко соединены с ним.

Поэтому упомянутые штангу или стержень, предназначенные для подсоединения к подвижному элементу, также можно называть плунжером.

В случае двигателей внутреннего сгорания подвижным элементом является поршень, который совершает возвратно-поступательное линейное движение. Очевидно, из этого следует, что ход поршня может быть значительно больше, чем его диаметр. Это позволяет выбрать (подобрать) размер компонентов устройства в зависимости от силы, действующей на поршень, которая будет меньше в том случае, если рабочие объемы определяются небольшими расточками цилиндров и большими длинами ходов. Таким образом вес двигателя будет уменьшен. Упомянутые средства для сообщения вспомогательному кривошипу и ротору вышеупомянутых относительных движений предпочтительно выполняют в виде шестеренных колес.

Согласно п.1 формулы изобретения посредством установки вспомогательного кривошипа на коронную шестерню, когда диаметр делительной окружности коронной шестерни или планетарной шестерни равен половине диаметра делительной окружности парной шестерни (шестерни с внутренним зацеплением), можно обеспечить поворот на угол 2а коронной или планетарной шестерни вокруг своей оси. Одновременно ротор и центр планетарной шестерни (или центр вспомогательного кривошипа) будет перемещен на угол а в противоположном направлении вокруг центра ротора, при этом последний представляет собой вращательный элемент, который, например, (в случае применения к двигателям внутреннего сгорания) напрямую или косвенным образом подсоединен к приводному валу двигателя.

Эффект, который при этом достигается и который составляет реальную цель изобретения, заключается в том, что палец вспомогательного кривошипа будет перемещаться по почти прямолинейному пути, при этом упомянутый путь представляет собой совершенно прямолинейный путь при условии, что центры двух зацепных шестерен (планетарной шестерни и парной шестерни или шестерни с внутренним зацеплением) определяют отрезок, равный радиусу орбиты центра вращения планетарной шестерни, который точно соответствует расстоянию между пальцем вспомогательного кривошипа и центром планетарной шестерни (коронной шестерни).

Первостепенное значение имеет то, чтобы диаметр зубчатой нарезки парной шестерни (диаметр делительной окружности) всегда был равен удвоенному диаметру планетарной шестерни (зубчатого венца планетарной шестерни).

Согласно п.2 формулы изобретения несколько устройств одного и того же типа, сконструированных в соответствии с идеей настоящего изобретения, могут быть использованы для создания машины, в которой мощность снимают (собирают) посредством одного приводного вала, который одновременно входит в зацепление с разными роторами устройств.

Настоящее изобретение и некоторые его преимущества будут более понятны при рассмотрении приведенного ниже подробного описания предпочтительного варианта осуществления изобретения.

Краткое описание чертежей

Далее настоящее изобретение будет описано в иллюстративных целях без наложения каких-либо ограничений со ссылкой на предпочтительный вариант осуществления конструкции, показанный на фигурах, на которых на фиг. 1 схематически показан только принцип работы устройства согласно настоящему изобретению, который сам по себе известен, по сравнению с классическим кривошипным механизмом;

на фиг. 2 представлен вид узла, образованного шестерней с внутренним зацеплением или парной шестерней, планетарной шестерней, которая выполнена как одно целое со вспомогательным кривошипом, и самим вспомогательным кривошипом в положении, соответствующем верхней мертвой точке (ВМТ) подвижного элемента, совершающего возвратно-поступательное прямолинейное движение, причем на этой фигуре показано использование двух шестеренных колес для осуществления устройства;

на фиг. 3 представлен вид узла, показанного на фиг. 2, демонстрирующий в промежуточном положении планетарной шестерни условия принципа работы, касающиеся углов относительного вращения, которые можно считать удовлетворительными, и как палец вспомогательного кривошипа перемещается по прямой линии (ось X);

на фиг. 4 представлена последовательность перемещений планетарной шестерни (коронной шестерни) согласно четырем различным положениям;

на фиг. 5 представлен случай применения, согласно которому вместо вспомогательного кривошипа используют диск, с тем чтобы обеспечить на нем большое количество пальцев, геометрические места точек которых соответствуют возвратно-поступательным прямолинейным траекториям, не совпадающим по фазе по отношению друг к другу;

На фиг. 6 представлен вид предпочтительного варианта осуществления конструкции устройства согласно настоящему изобретению.

Предпочтительный вариант

Принцип, на котором основано изобретение и который известен сам по себе, заключается в том, чтобы разделить плечо классического кривошипного механизма на две сочлененных (шарнирных) части и сообщать им в течение движения противоположное вращение таким образом, чтобы один оборот одной части соответствовал двум оборотам другой части.

Для того чтобы лучше разъяснить этот принцип, на фиг. 1 классическая система объемного двигателя с возвратно-поступательным движением, составляемая шатуном и кривошипом, изображена с левой стороны фигуры в положении ВМТ (верхней мертвой точки) и соответственно в характерном положении, в то время как с правой стороны представлен тот же самый двигатель, но с кривошипом, подразделенным на две части, соответствующие отрезкам ОС и СВ, шарнирно подсоединенным друг к другу в точке С, при этом отрезок СВ принудительно поворачивается вокруг шарнира С на углы, которые вдвое больше углов, охватываемых отрезком ОС в течение движения в противоположном направлении.

На обеих фигурах центр О представляет собой ось приводного вала (либо, скорее, пересечение этой оси с плоскостью фигуры).

Рассмотрим каждый случай характерного положения, следующего за положением ВМТ, показанным в верхней части фиг. 1. В классическом кривошипном механизме палец В кривошипа при определенном смещении к поршня будет перемещён на угол а по круговой траектории ΐ с радиусом ОВ. В устройстве согласно изобретению в течение того же самого смещения к поршня отрезок ОС повернется по часовой стрелке (против часовой стрелки) вокруг оси О на угол Ь, а отрезок ВС повернется против часовой стрелки (по часовой стрелке) вокруг шарнира С.

Это относительное движение создает траекторию точки В, которая, в общем, почти прямолинейна с незначительной выпуклостью вправо или влево по отношению к оси Х-Х поршня в зависимости от того, больше или меньше длина отрезка ВС, чем отрезка ОС (на фиг. 1 ВС больше чем ОС и траектория имеет выпуклость вправо, что показано).

Очевидно, что если ОС=СВ, то траектория точки В будет совершенно прямолинейной и будет проходить через центр О.

Для осуществления этого принципа могут быть применены шестеренные колеса, которые посредством их передаточных отношений позволяют в течение движения реализовать такую связь, согласно которой, когда отрезок ОС составляет угол Ь вокруг центра О, отрезок СВ составляет угол, который вдвое больше упомянутого угла, но в противоположном направлении вращения.

С этой целью используют парную шестерню или шестерню 1 с внутренним зацеплением 2 и планетарную шестерню или коронную шестерню 3 (см. фиг. 2), которым придана такая конфигурация, что диаметр делительной окружности первой из упомянутых шестерен вдвое больше диаметра делительной окружности последней упомянутой шестерни.

На фиг. 2 схематически представлена компоновка основных элементов или компонентов, относительное движение которых используют для обеспечения желаемого возвратнопоступательного движения. На этой фигуре по сравнению с правой стороной фиг. 1 можно видеть, что центр О1 шестерни 1 с внутренним зацеплением соответствует точке О, центр О2 планетарной шестерни 3 соответствует точке С и, наконец, что вспомогательный кривошип 4, выполненный как одно целое с планетарной шестерней, схематически представлен в виде отрезка СВ; его точка О3 соответствует точке В и покрывает точку Т, то есть совпадает с этой точкой, где две делительных окружности зубчатых зацеплений 2, 5 тангенциальны по отношению друг к другу в верхней мертвой точке (ВМТ). Теперь представим себе, что мы вынуждаем отрезок О1-О2 совершить правосторонний поворот (по часовой стрелке) на характерный угол а вокруг центра О1 и что положение шестерни 1 с внутренним зацеплением всегда находится в одной и той же плоскости, как показано на фиг. 3.

Планетарная шестерня 3, которая входит в зацепление с шестерней 1 с внутренними зубьями, также повернется вокруг своей оси О2 вследствие вращения ее центра О2 вокруг О1, причем упомянутый поворот планетарной шестерни соответствует углу 2а (поскольку передаточное отношение между этими двумя элементами составляет 2:1) и будет происходить в противоположном направлении (против часовой стрелки).

Вспомогательный кривошип 4, который, как упомянуто выше, выполнен как одно целое с планетарной шестерней 3, будет поворачиваться на тот же самый угол, что и последняя, тем самым смещая свою точку О3 вновь вдоль оси Х согласно фиг. 2.

На фиг. 4 представлены некоторые из неопределенного количества положений, которые система может занимать в течение вращения, с тем чтобы лучше проиллюстрировать динамику движения, причем на этой фигуре также показаны две точки 8 и I, которые соответствуют конечным положениям хода.

Интересно заметить, что если диск 6, который также выполнен как одно целое с планетарной шестерней, используют вместо вспомогательного кривошипа 4 согласно фиг. 2, как показано на фиг. 5, посредством фиксации на диске характерной точки 04, повернутой на определенный угол 2а по отношению к 02 и расположенной на той же самой окружности, что и 03, упомянутая точка в течение вращения будет перемещаться по иной прямолинейной траектории, которая отклонена на угол а по отношению к первой траектории (оси X).

В заключение можно сказать, что большое количество подвижных элементов с прямолинейным возвратно-поступательным движением, которые не совпадают друг с другом по фазе на произвольный угол, могут быть подсоединены к диску 6 и вокруг него.

Здесь для ясности в соответствии с выполняемой функцией целесообразно определить как плунжер отрезок АВ (фиг 1), как вспомогательный кривошип отрезок ВС и как ротор цилиндр, ось которого проходит через О и включает в себя ось, пересекающую плоскость фигуры в точке С.

На фиг. 6 представлено поперечное сечение предпочтительного варианта осуществления конструкции устройства.

Согласно фиг. 6 шестерня 1 с внутренним зацеплением заходит внутрь блока или рамы 7, оснащенной крышкой 8.

Планетарную шестерню 3 с радиусом Я/2 фактически вводят с внутренней стороны ротора 30, при этом последний обеспечивают цилиндрическим посадочным местом 9. Зубчатый венец планетарной шестерни 3, обозначенный позицией 5, входит в зацепление с парной шестерней или с шестерней 1, имеющей внутреннюю зубчатую нарезку с удвоенным радиусом (равным Я) по отношению к радиусу планетарной шестерни 3.

На фиг. 6, в частности, можно заметить, что цилиндрическое посадочное место 9 имеет разрыв, то есть оно не проходит по всей продольной протяженности ротора 30, так что зубчатый венец 5 планетарной шестерни 3 может входить в зацепление с парной шестерней или с шестерней 1, имеющей внутреннюю зубчатую нарезку, которая обозначена позицией 2.

На фиг. 6 также можно заметить, что планетарная шестерня 3 с радиусом Я/2 имеет выполненную заодно с ней ступицу 11, размещенную с внутренней стороны продолжения ротора 30.

Ступица 11 заходит внутрь подшипников или вкладышей подшипников (заштрихованная часть).

Кроме того, планетарная шестерня 3 и ротор 30 удерживаются подшипниками или вкладышем подшипников, соответственно обозначенными позициями 12 и 13.

Часть ротора 30, обозначенная позицией 10 и находящаяся вблизи от стенки 8, может формировать шестерню. Шестерня 10 может оставаться незакрытой (верхняя стенка 7 согласно фиг. 6 не выполнена) и может быть использована для синхронизации нескольких устройств одного и того же типа посредством синхронизирующего вала (не показан), который отбирает и накапливает мощность большого количества устройств.

На фиг. 6 приводной вал обозначен позицией 16 и выполнен как одно целое с ротором 30; он выступает из стенки 8. Также можно видеть, что приводной вал 16 удерживается вкладышем 17 подшипника.

Из фиг. 6 очевидно, что оси 18, 19, 20 соответственно обозначают оси компонентов 16, 3, 15.

Целесообразно напомнить и подчеркнуть, что в том случае, когда в одном и том же двигателе вместе собрано более одного механизма, необходимо обеспечить синхронизацию этих механизмов.

Это может быть достигнуто следующим образом:

шестерню 10 жестко крепят, например, шпонкой либо непосредственным образом формируют на каждом роторе 30, при этом каждая из упомянутых шестерен имеет такой же диаметр делительной окружности, что и у других шестерен (см., например, на фиг. 6 зону между шестерней 1 и крышкой 8; часть 10 ротора 30);

к узлу добавляют поперечный вал, который имеет определенное количество шестерен, соответствующее количеству устройств (механизмов), при этом каждая из шестерен поперечного вала входит в зацепление с соответствующей шестерней 10.

Естественно, поскольку дополнительный вал помимо функции синхронизации также решает задачу восприятия работы, выполненной каждым механизмом, он будет обеспечивать единственный отбор мощности от двигателя или машины на выходе из ее корпуса.

Промышленное применимость

Некоторые цели, которых совершенно невозможно достичь посредством традиционной системы, состоящей из кривошипа и шатуна, могут быть достигнуты посредством нового консольного устройства, которое предназначено для преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения во вращательное движение.

Вкратце, некоторые из этих целей заключаются в следующем:

в увеличении значения Нм (крутящего момента двигателя);

в полном исключении традиционной силы (Р!а), которая представляет собой силу трения, являющуюся одной из наиболее вредных сил, действующих против движения, и которая оказывает воздействие в течение движения скольжения поршня между его боковой поверхностью и стенкой цилиндра вследствие реакции на толкающее действие, создаваемое кривошипом. Прямое следствие этого факта заключается в значительном уменьшении количества масла, используемого для смазки стенок;

в возможности использования больших рабочих объемов и небольших диаметров расточек цилиндров без необходимости чрезмерного увеличения объема двигателя. Таким образом, могут быть обеспечены очень большие величины рабочих ходов и, следовательно, очень длинные боковые поверхности цилиндров, взаимосвязанные с такими ходами, за счет этого позволяющие обеспечить гораздо более эффективное рассеивание создаваемого тепла;

в заметном снижении веса компонентов устройства (прямое следствие того, что указано в предыдущем абзаце);

в получении устройства, компоненты или элементы которого, совершающие вращение, могут быть естественным образом уравновешены благодаря их форме. Поэтому при использовании в этой системе упомянутых компонентов нет необходимости в применении противовесов.

Практические испытания показали, что для одного и того же самого постоянного рабочего объема по сравнению с традиционными двигателями можно получить более высокую мощность и более ровное (правильное) вращение приводного вала со значительным уменьшением вибраций.

Наконец, можно жестко соединить поршень, расположенный на конце плунжера (отрезок АВ на фиг. 1) с самим плунжером без необходимости использования для этого какоголибо шарнира, при этом поршень может иметь минимальный продольный размер, который достаточен только для того, чтобы установить поршневые кольца.

Claims (3)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Устройство для преобразования вращательного движения в прямолинейное возвратно поступательное движение и наоборот, в частности, для использования в объемных двигателях внутреннего сгорания и компрессорах, причем оно содержит только один вспомогательный кривошип (4) и только один ротор (30), содержащий ось вращения вспомогательного кривошипа (4), оба из которых расположены только с одной стороны пальца (15) вспомогательного кривошипа;

   средства (1, 3), которые сообщают вспомогательному кривошипу (4) и ротору (30) вращательное движение таким образом, что, когда вспомогательный кривошип (4) совершает поворот в одном направлении, ротор (30) поворачивается на половину этого угла в противоположном направлении;

   при этом упомянутые средства (1, 3) содержат планетарную шестерню (3), которая выполнена как одно целое со вспомогательным кривошипом (4) и которая расположена между двумя опорами, размещенными с внутренней стороны ротора (30), и шестерню (1) с внутренним зацеплением, выполненную как одно целое с корпусом (7); ротор (30) выполнен монолитным и расположен внутри корпуса (7);

   причем диаметр делительной окружности планетарной шестерни (3) равен половине диаметра шестерни (1) с внутренним зацеплением; подвод или отбор мощности выполняют посредством вала (16), который выполнен как одно целое с ротором (30) и вращается вместе с ним.
2. 2. Устройство по п.1, в котором устройство может быть использовано для конструирования машин, содержащих несколько устройств одного и того же типа, которые синхронизированы относительно друг друга посредством вала, одновременно входящего в зацепление с ротором (30) каждого из упомянутых устройств; ось упомянутого вала расположена таким образом, чтобы она не препятствовала прямолинейному возвратно-поступательному перемещению пальца (15) вспомогательного кривошипа (4) каждого устройства.
3. 3. Устройство по п.2, в котором упомянутые валы помимо осуществления синхронизации различных устройств также накапливают крутящий момент каждого устройства и выдают их у одного отбора мощности.