RU197176U1

RU197176U1 - Планетарный кривошипно-шатунный механизм с эллиптическими зубчатыми колесами

Info

Publication number: RU197176U1
Application number: RU2020104231U
Authority: RU
Inventors: Иван Сафронович Гребенюк
Original assignee: Иван Сафронович Гребенюк
Priority date: 2020-01-31
Filing date: 2020-01-31
Publication date: 2020-04-08

Abstract

Планетарный кривошипно-шатунный механизм с эллиптическими зубчатыми колесами относится к машиностроению. Такой механизм может применяться в поршневых двигателях внутреннего сгорания и компрессорах.Известный кривошипно-шатунный механизм двигателя внутреннего сгорания, по причине отсутствия плеча крутящего момента в верхней мертвой точке, которое плавно нарастает по ходу движения поршня в цикле расширения, неспособен эффективно преобразовать высокое давление газов рабочего тела на поршень во вращательное движение коленчатого вала.Планетарный кривошипно-шатунный механизм с эллиптическими зубчатыми колесами (фиг. 1, 2) состоит из двух эллиптических зубчатых колес одинаковых по размерам, форме эллипса и количеству зубьев – солнца 1 и сателлита 3. Солнце неподвижно соединено с корпусом двигателя соосно своим центром с валом двигателя. Сателлит находится в зацеплении с солнцем, вращается вокруг него на оси водила 2 соосной с центром сателлита. Другая ось водила является валом двигателя. Шатун 4 шарнирно соединен с сателлитом в точке В и с поршнем 5 – в точке А. В исходном состоянии солнце и сателлит взаимно расположены так, что большие и малые оси одного колеса перпендикулярны осям другого колеса, а положение их относительно направляющей движения поршня таково, что угол положения водила, при котором наступает максимальный крутящий момент, приближен к углу, при котором поршень находится в верхней точке и в цилиндре создается максимальное индикаторное давление газов.Результаты сравнительных расчетов показывают, что предлагаемая конструкция планетарного кривошипно-шатунного механизма с эллиптическими зубчатыми колесами на 40% эффективней классического кривошипно-шатунного механизма – работа на валу двигателя при прочих равных условиях составляет 1467,74 у.е., против 1048,18 у.е., соответственно.Использование полезной модели решает техническую задачу - повышение эффективности преобразования возвратно-поступательного движения поршня под воздействием давления газа во вращательное движение коленчатого вала за счет повышения крутящего момента на валу кривошипно-шатунного механизма, когда поршень находится вблизи верхней точки, при этом также сокращается время движения поршня от верхней до нижней точки за один оборот вала двигателя, что сокращает время нахождения в цилиндре рабочего тела с высокой температурой и снижает тепловые потери двигателя.Возможность предлагаемой модели изменить соотношение времени цикла всасывания и сжатия может быть использована для повышения эффективности компрессора.Применение предлагаемой конструкции не предполагает необходимости внесения изменений в другие элементы, агрегаты, системы двигателя внутреннего сгорания.Предлагаемая модель реализуется с помощью универсального оборудования и элементов, широко распространенных в промышленности (эллиптические зубчатые колеса, валы, оси, подшипники) может быть использована при создании двигателя внутреннего сгорания или компрессора с повышенными показателями эффективности.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель

Планетарный кривошипно-шатунный механизм с эллиптическими зубчатыми колесами относится к машиностроению. Такой механизм может применятся в поршневых двигателях внутреннего сгорания и компрессорах.

Уровень техники

Известный кривошипно-шатунный механизм двигателя внутреннего сгорания по причине отсутствия плеча крутящего момента в верхней мертвой точке, которое плавно нарастает по ходу движения поршня в цикле расширения, неспособен эффективно преобразовать высокое давление газов рабочего тела на поршень во вращательное движение коленчатого вала.

Предлагаемая модель планетарного кривошипно-шатунного механизма с эллиптическими зубчатыми колесами объединила в себе положительные свойства известных моделей:

планетарный кривошип (патент RU 160779 U1), который отличается тем, что положение поршня в верхней мертвой точке соответствует положению водила и шатуна под углом к вертикальной оси по направлению его вращения, что повышает крутящий момент в такте расширения, недостатком которого является малое плечо крутящего момента по причине нахождения опорной точки взаимодействия солнца и сателлита на линии между осью водила и осью нижней шейки шатуна на расстоянии радиуса делительной окружности солнца;

двигатель внутреннего сгорания с эллиптическими (овальными) зубчатыми колесами (патент RU 118690 U1), отличающийся тем, что сокращение времени прохождения коленчатым валом первых 70º его оборота, начиная от положения, при котором поршень находится в верхней мертвой точке, приводит к повышению эффективности двигателя внутреннего сгорания, имеющий недостаток в том, что в положении поршня в верхней мертвой точке отсутствует плечо крутящего момента коленчатого вала.

Использование полезной модели решет техническую задачу повышения эффективности преобразования возвратно-поступательного движения поршня под воздействием давления газа во вращательное движение коленчатого вала за счет повышения крутящего момента на валу кривошипно-шатунного механизма, когда поршень находится вблизи верхней точки, при этом также сокращается время движения поршня от верхней до нижней точки за один оборот вала двигателя, что сокращает время нахождения в цилиндре рабочего тела с высокой температурой и снижает тепловые потери двигателя.

Возможность предлагаемой модели изменить соотношение времени цикла всасывания и сжатия может быть использована для повышения эффективности компрессора.

Раскрытие сущности полезной модели

Планетарный кривошипно-шатунный механизм с эллиптическими зубчатыми колесами (на фиг. 1 показан в исходном положении) состоит из двух эллиптических зубчатых колес одинаковых по размерам, форме эллипса и количеству зубьев - солнца 1 и сателлита 3. Солнце неподвижно соединено с корпусом двигателя соосно своим центром с валом двигателя. Сателлит находится в зацеплении с солнцем, вращается вокруг него на оси водила 2 соосной с центром сателлита. Другая ось водила является валом двигателя. Шатун 4 шарнирно соединен с сателлитом в точке В и с поршнем 5 – в точке А. В исходном состоянии солнце и сателлит взаимно расположены так, что большие и малые оси одного колеса перпендикулярны осям другого колеса, а положение их относительно направляющей движения поршня таково, что угол положения водила, при котором наступает максимальный крутящий момент, приближен к углу, при котором поршень находится в верхней точке и в цилиндре создается максимальное индикаторное давление газов.

Произведен расчет крутящего момента на валу двигателя в зависимости от угла поворота вала и индикаторного давления рабочего тела двигателя. Данные параметров индикаторного давления применены из научно-технической литературы.

Для расчета приняты следующие исходные данные согласно (фиг. 2).

АВ=100 мм, ОМ=12 мм, О₁М=9мм, О₁В=8мм, угол начального положения солнца Δ=-1рад.(-57°).

Угол отклонения шатуна

где ϕ - угол поворота водила (вала двигателя),

- угол поворота сателлита вокруг оси

.

,

где из параметрического уравнения эллипса

Положение поршня рассчитывается по формуле

Для нахождения крутящего момента продлим линию OO₁до пересечения с продлением линии шатуна АВ в точке Р.

В точке Р от давления газов на поршень действуют сила F_ш– по направлению линии шатуна АВ и сила F_р– перпендикулярно линии ОР с углом между ними

.

По теореме синусов находим сторону О₁Р треугольника

Крутящий момент силы, действующей на водило в точке О₁

М_О1=ОО₁*F_О1,

где F_О1 – сила, действующая на плечо водила ОО₁.

где

.

Подставляя найденные выражения, получаем формулу крутящего момента на валу двигателя от угла поворота водила, при действии на поршень вертикально вниз силы F.

Подстановкой вместо силы F значений индикаторного давления рабочего тела двигателя, получаем условную работу за 0,1 рад. угла поворота водила, а сумма этих произведений дает значение условной работы за полный оборот вала двигателя. Для упрощения расчетов допущено, что индикаторное давление и крутящий момент за время между расчетными точками остается постоянным.

Проведенные расчеты с исходными данными за цикл поворота вала двигателя (водила) на угол 360° представлены в таблице фиг. 3.

Аналогичные расчеты проведены для классического кривошипно-шатунного механизма с диаметром коленчатого вала равным ходу поршня конструкции с планетарным механизмом и одинаковой длиной шатуна. Результаты расчетов представлены в таблице фиг. 5.

Результаты сравнительных расчетов показывают, что предлагаемая конструкция планетарного кривошипно-шатунного механизма с эллиптическими зубчатыми колесами на 40% эффективней классического кривошипно-шатунного механизма – 1467,74 у.е., против 1048,18 у.е., соответственно.

На фиг. 4 и фиг. 5 представлены графики изменений положений отдельных деталей и параметров в зависимости от угла поворота водила для планетарного кривошипно-шатунного механизма с эллиптическими зубчатыми колесами и классического кривошипно-шатунного механизма, соответственно.

Расчеты проводились без учета дополнительных механических потерь, связанных с вводом некоторых элементов и подвижных соединений, поэтому действительный результат повышения эффективности может быть меньше.

Применение предлагаемой конструкции не предполагает необходимости внесения изменений в другие элементы, агрегаты, системы двигателя внутреннего сгорания.

Предлагаемая модель реализуется с помощью универсального оборудования и элементов, широко распространенных в промышленности (эллиптические зубчатые колеса, валы, оси, подшипники) может быть использована при создании двигателя внутреннего сгорания или компрессора с повышенными показателями эффективности.

Claims

1. Планетарный кривошипно-шатунный механизм с эллиптическими зубчатыми колесами, преобразующий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение вала, выполненный в виде планетарной зубчатой передачи, состоящей из двух эллиптических зубчатых колес одинаковой формы с равным количеством зубьев, содержащей неподвижное солнечное колесо и сателлит, закрепленный на водиле и соединенный с шатуном, который соединен с поршнем.

2. Планетарный кривошипно-шатунный механизм с эллиптическими зубчатыми колесами по п. 1, отличающийся тем, что угол положения водила и шатуна, при котором наступает максимальный крутящий момент, приближен к углу, при котором в цилиндре создается максимальное давление, что повышает эффективность преобразования силы давления на поршень в работу на валу двигателя.