RU2109152C1

RU2109152C1 - Internal combustion engine

Info

Publication number: RU2109152C1
Application number: RU96104870A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Георгиевич Смердов
Original assignee: Геннадий Георгиевич Смердов
Priority date: 1996-03-12
Filing date: 1996-03-12
Publication date: 1998-04-20

Abstract

FIELD: transport engineering; road and water vehicles; stationary power generating plants. SUBSTANCE: mechanism converting reciprocating motion of engine piston into rotary motion of shaft consists of pistons arranged in cylinder and kinematically coupled through connecting rods with engine main shaft. Internal gear train is installed in big end of connecting rod of each cylinder-piston group. Gear of gear train is mounted on main shaft, and gear wheel is made in hole of connecting rod big end. Gear wheel has sections of different curvature, for instance, oval, whose side toothed surfaces have smaller curvature and can be made even straight-line for alternate engagement with gear. Upper and lower surfaces of hole of connecting rod big end are made with larger curvature not exceeding curvature of gear tooth points. Gear of gear train has cam made on side opposite to its working teeth and alternately engaging with stops in process of operation. Stops are installed in parallel with toothed side surfaces providing forward and back stroke of piston. Upper and lower curvilinear surfaces of hole of connecting rod big end are made smooth. Upper surface is extension of point of extreme tooth of side surface providing forward stroke of piston, and lower surface is extension of point of extreme tooth of side surface providing back stroke of piston. EFFECT: enlarged operating capabilities. 5 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к поршневым многоцилиндровым двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в качестве двигателя на сухопутных и водных транспортных средствах, а также в энергомашиностроении в качестве стационарных двигателей для компрессоров, электрогенераторов и других рабочих машин и механизмов. The invention relates to the field of engine building, in particular to reciprocating multi-cylinder internal combustion engines, and can be used as an engine on land and water vehicles, as well as in power engineering as stationary engines for compressors, generators and other working machines and mechanisms.

Известны автомобильные двигатели внутреннего сгорания поршневые, многоцилиндровые, рядные и V-образные, карбюраторные или дизельные, состоящие из блока цилиндров с камерами для сжигания топлива, кривошипно-шатунного механизма, состоящего из поршней, размещенных в цилиндрах, кинематически связанных шатунами с коленчатым валом двигателя, а также механизма газораспределения, системы питания, смазки, охлаждения (см., например, книгу В.И. Анохин. Отечественные автомобили. М. : Машиностроение, 1964, с. 56-113, 754-758). Automobile internal combustion engines are known as piston, multi-cylinder, in-line and V-shaped, carburetor or diesel, consisting of a cylinder block with chambers for burning fuel, a crank mechanism consisting of pistons placed in cylinders kinematically connected by connecting rods to the engine crankshaft, as well as the gas distribution mechanism, power system, lubrication, cooling (see, for example, a book by V.I. Anokhin. Domestic automobiles. M.: Mechanical Engineering, 1964, pp. 56-113, 754-758).

Недостаток известных по аналогу двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что в качестве коренного вала кривошипно-шатунного механизма в известных двигателях использован коленчатый вал, крутящий момент которого в процессе движения поршня из верхней мертвой точки до нижней мертвой точки при такте "рабочий ход" - величина переменная и зависит от угла поворота кривошипа. Монтаж коленчатого вала в коренных опорах и шатунных шейках возможен только в подшипниках скольжения (вкладышах). При этом нижняя головка шатуна совершает колебательные движения с большей амплитудой, равной двум радиусам кривошипа коленчатого вала. Все это приводит к увеличению затрат, шатунный механизм в известных двигателях конструктивно сложен и требует высокоточной сборки и обильной смазки трущихся соединений. A disadvantage of internal combustion engines known by analogy is that a crankshaft is used as the main shaft of the crank mechanism in the known engines, the torque of which during the movement of the piston from top dead center to bottom dead center at the stroke "stroke" is the value variable and depends on the angle of rotation of the crank. The installation of the crankshaft in the main bearings and connecting rods is possible only in plain bearings (liners). In this case, the lower head of the connecting rod makes oscillatory movements with a larger amplitude equal to the two radii of the crankshaft crank. All this leads to an increase in costs, the connecting rod mechanism in known engines is structurally complex and requires high-precision assembly and abundant lubrication of rubbing joints.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков и технической сущности предлагаемого изобретения является поршневая машина, состоящая из блока цилиндров с поршнями и шатунами для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коренного (приводного) вала двигателя. Нижняя головка шатуна выполнена с продольной прорезью, внутри которой имеется зубчатое колесо, контур которого выполнен из участков различной кривизны, например в виде овала, боковые зубчатые поверхности которого выполнены с меньшей кривизной, попеременно взаимодействующие с шестерней, одна зубчатая боковая поверхность овала соответствует прямому ходу поршня, другая - его обратному ходу, а верхняя и нижняя поверхности зубчатого колеса - с большей кривизной и в рабочем цикле соответствуют фазам смены направления движения поршня, шестерня расположена внутри овального колеса, установлена на коренном валу и снабжена дисковым кулачком, выполненным на стороне, противоположной ее рабочим зубцам, попеременно взаимодействующим во время рабочего цикла с направляющими боковинами, установленными параллельно зубчатым боковым поверхностям прямого и обратного хода поршня (см. заявку ФРГ N 3230508, кл. F 01 B, 9/00, 1984). Closest to the combination of essential features and technical nature of the invention is a piston machine, consisting of a cylinder block with pistons and connecting rods for converting the reciprocating motion of the piston into the rotational motion of the main (drive) shaft of the engine. The lower head of the connecting rod is made with a longitudinal slot, inside which there is a gear wheel, the contour of which is made of sections of various curvatures, for example, in the form of an oval, the side gear surfaces of which are made with less curvature, alternately interacting with the gear, one gear side surface of the oval corresponds to the forward stroke of the piston , the other - to its reverse stroke, and the upper and lower surfaces of the gear - with greater curvature and in the duty cycle correspond to the phases of the change of direction of movement of the piston, gear I am located inside the oval wheel, mounted on the main shaft and equipped with a disk cam, made on the side opposite to its working teeth, alternately interacting during the working cycle with guide sidewalls installed parallel to the gear side surfaces of the forward and reverse piston stroke (see FRG application N 3230508, CL F 01 B, 9/00, 1984).

Недостатком указанной поршневой машины является то, что колесо в нижней головке шатуна выполнено зубчатым по всему замкнутому контуру, а полезную работу производят только зубчатые боковые поверхности прямого и обратного хода, при этом в процессе рабочего цикла эти поверхности испытывают различные по величине нагрузки, а верхние и нижние зубчатые поверхности, соответствующие фазе смены направления движения поршня, зацеплением ухудшают плавность вращения шестерни и увеличивают износ зубьев, так как при смене направления движения нижней головки шатуна меняется характер зацепления, а участок зацепления перемещается на 180^o, при этом увеличиваются контактные напряжения и происходит проскальзывание между соприкасающимися поверхностями зубьев шестерни и верхней или нижней поверхностями зубчатого колеса, что увеличивает износ зацепления, а следовательно, уменьшается долговечность двигателя. К тому же выполнение верхней и нижней поверхностей зубчатыми излишне и требует дополнительных трудозатрат.The disadvantage of this piston machine is that the wheel in the lower head of the connecting rod is serrated along the entire closed loop, and only the serrated side surfaces of the forward and reverse stroke perform useful work, while during the working cycle these surfaces experience different loads, and the upper and lower gear surfaces corresponding to the phase of changing the direction of movement of the piston, meshing impair the smoothness of rotation of the gear and increase wear of the teeth, since when changing the direction of movement of the lower crosshead changing the nature of engagement, and the engagement portion moves to 180 ^o, while increasing the contact stresses and slip occurs between the contacting surfaces of the gear teeth and the top or bottom surfaces of the gear, which increases the wear of the engagement, and hence the durability of the engine decreases. In addition, the implementation of the upper and lower surfaces with gears is unnecessary and requires additional labor.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности и долговечности, а также снижение трудозатрат за счет выполнения колеса из участков, зависимых от характера перемещений и величины нагрузок. The objective of the present invention is to increase reliability and durability, as well as reducing labor costs by performing wheels from sections that are dependent on the nature of the movements and the magnitude of the loads.

Для достижения обеспечиваемого заявленным изобретением технического результата в известном двигателе внутреннего сгорания имеется блок цилиндров, механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коренного вала, состоящий из поршней, размещенных в цилиндрах, кинематически связанных шатунами с коренным валом двигателя, а также механизм газораспределения, системы питания, смазки и охлаждения, причем в нижней головке шатуна каждой цилиндро-поршневой группы расположена зубчатая передача с внутренним зацеплением, шестерня которой установлена на коренном валу, вал выполнен прямым и установлен в подшипниках качения, размещенных в опорах блока цилиндров, зубчатое колесо выполнено в отверстии нижней головки шатуна, контур колеса выполнен из участков различной кривизны, например в виде олова, боковые зубчатые поверхности которого выполнены с меньшей кривизной, могут быть прямолинейными, попеременно взаимодействующими с шестерней, одна зубчатая боковая поверхность овала соответствует прямому ходу поршня, другая - его обратному ходу, а верхняя и нижняя поверхности отверстия нижней головки шатуна выполнены с большей кривизной, но не более кривизны вершин зубьев и в рабочем цикле соответствуют фазе смены направления движения поршня, шестерня зубчатой передачи имеет кулачок, выполненный на стороне, противоположной ее рабочим зубцам, попеременно взаимодействующим во время рабочего цикла с упорами, которые установлены параллельно зубчатым боковым поверхностям прямого и обратного хода поршня, верхняя и нижняя криволинейные поверхности отверстия нижней головки шатуна выполнены гладкими, радиусом не менее радиуса вершин зубьев шестерни, при этом верхняя поверхность является продолжением вершины крайнего зуба зубчатой боковой поверхности прямого хода поршня, а нижняя - продолжением вершины крайнего зуба зубчатой боковой поверхности обратного хода поршня. To achieve the technical result provided by the claimed invention, the known internal combustion engine has a cylinder block, a mechanism for converting the reciprocating motion of the pistons into rotational motion of the main shaft, consisting of pistons placed in cylinders kinematically connected by connecting rods to the main shaft of the engine, as well as a gas distribution mechanism, power, lubrication and cooling systems, and in the lower head of the connecting rod of each cylinder-piston group there is a gear transmission with gearing, the gear of which is mounted on the main shaft, the shaft is straight and installed in the rolling bearings located in the bearings of the cylinder block, the gear is made in the hole of the lower connecting rod head, the wheel contour is made of sections of different curvature, for example, in the form of tin, side gear surfaces which are made with less curvature, can be rectilinear, alternately interacting with the gear, one toothed lateral surface of the oval corresponds to the forward stroke of the piston, and the other to its opposite ode, and the upper and lower surfaces of the holes of the lower head of the connecting rod are made with greater curvature, but not more than the curvature of the tops of the teeth and in the working cycle correspond to the phase of changing the direction of movement of the piston, the gear gear has a cam made on the side opposite to its working teeth, alternately interacting during the working cycle with stops that are installed parallel to the gear lateral surfaces of the forward and reverse piston, the upper and lower curved surfaces of the holes of the lower head of the tent the una are made smooth, with a radius of not less than the radius of the vertices of the gear teeth, the upper surface being a continuation of the top of the extreme tooth of the toothed lateral surface of the forward stroke of the piston, and the lower surface is the continuation of the top of the extreme tooth of the toothed lateral surface of the reverse piston.

Все это обеспечивает решение поставленной задачи изобретения. Благодаря тому, что верхние и нижние поверхности отверстия нижней головки шатуна выполнены гладкими, изменение направления движения осуществляется наружным диаметром шестерни, взаимодействующим с криволинейной поверхностью продолжения вершины крайнего зуба боковой поверхности прямого или обратного хода поршня. При этом произойдет перераспределение сил в зоне контактируемых поверхностей, что уменьшает контактные напряжения, а оптимальный подбор материала участка колеса продолжения вершины крайнего зуба боковой поверхности прямого или обратного хода уменьшит износ трущихся поверхностей. При этом значительно уменьшатся трудозатраты при изготовлении колеса. Все это повысит надежность и долговечность двигателя, а также трудозатраты производства двигателя. All this provides a solution to the problem of the invention. Due to the fact that the upper and lower surfaces of the holes of the lower connecting rod head are smooth, the direction of movement is changed by the outer diameter of the gear interacting with the curved surface of the continuation of the top of the extreme tooth of the side surface of the forward or reverse piston. In this case, a redistribution of forces in the area of contacted surfaces will occur, which reduces contact stresses, and the optimal selection of the material of the portion of the wheel to extend the top of the extreme tooth of the lateral surface of the forward or reverse stroke will reduce the wear of rubbing surfaces. This will significantly reduce labor costs in the manufacture of the wheel. All this will increase the reliability and durability of the engine, as well as the labor costs of engine production.

На фиг. 1 схематично изображен продольный разрез заявляемого двигателя внутреннего сгорания, на фиг. 2 - поперечный разрез указанного двигателя, на фиг. 3 представлен разрез по А-А нижней головки шатуна по зубчатой передаче, часть коренного вала и подшипника, на фиг. 4 изображено сечение Б-Б зубчатой передачи внутреннего зацепления, на фиг. 5 - сечение В-В, показывающее взаимодействие упоров и кулачка. In FIG. 1 schematically shows a longitudinal section of the inventive internal combustion engine, FIG. 2 is a cross-sectional view of the indicated engine, FIG. 3 shows a section along A-A of the lower head of the connecting rod gear, part of the main shaft and bearing, in FIG. 4 shows a section BB of the internal gear train, FIG. 5 is a section BB showing the interaction of the stops and cam.

Заявляемый двигатель внутреннего сгорания содержит блок цилиндров 1, внутри которого размещен механизм преобразования движения, состоящий из поршней 2, шатунов 3, в отверстии нижних головок которых размещены шестерни 4, закрепленные на общем для всех цилиндров прямом валу 5, установленном в подшипниках качения 6. Зубчатое колесо расположено в нижней головке каждого шатуна 3, контур колеса выполнен в виде овала, состоящего из зубчатых участков прямого 7 и обратного 8 хода поршня 2, при этом одна боковая поверхность 7 соответствует прямому ходу, выполнена меньшей кривизны, в частном случае может быть прямолинейной, другая боковая поверхность 8 соответствует обратному ходу, выполнена такой же кривизны. Верхняя 9 и нижняя 10 поверхности контура колеса соответствуют переходной фазе смены направления движения поршня 2, выполнены полуцилиндрическими, радиусом не менее радиуса вершин зуба шестерни 4, при этом вверху вершина крайнего зуба поверхности 7 прямого хода переходит в криволинейную гладкую поверхность 9, а внизу вершина крайнего зуба поверхности 8 обратного хода переходит в криволинейную гладкую поверхность 10, предпочтительнее зубчатые передачи в предлагаемом двигателе выполнить с "зацеплением Новикова", так как нагрузочные возможности по сравнению с эвольвентным зацеплением в 2,5 раза выше. Параллельно зубчатым боковым поверхностям 7 и 8 на нижней головке шатуна установлены плоскопараллельные упоры 11, один из которых в продолжении всех тактов рабочего цикла двигателя попеременно взаимодействует с кулачком 12, выполненным на противоположной стороне рабочих зубцов шестерни 4. Для выравнивания вращения вала 5 имеется маховик 13. Также двигатель имеет механизм газораспределения, системы питания, смазки, охлаждения и зажигания на чертеже не показаны. The inventive internal combustion engine contains a cylinder block 1, inside of which there is a movement conversion mechanism consisting of pistons 2, connecting rods 3, in the opening of the lower heads of which gears 4 are mounted, mounted on a straight shaft 5, common to all cylinders, mounted in rolling bearings 6. Gear the wheel is located in the lower head of each connecting rod 3, the wheel contour is made in the form of an oval, consisting of gear sections of the forward 7 and reverse 8 piston 2, while one side surface 7 corresponds to the forward stroke, less curvature is made, in a particular case it can be rectilinear, the other side surface 8 corresponds to the reverse stroke, the same curvature is made. The upper 9 and lower 10 surfaces of the wheel contour correspond to the transition phase of changing the direction of movement of the piston 2, are made semi-cylindrical, with a radius of at least the radius of the vertices of the gear tooth 4, while at the top the top of the extreme tooth of the forward surface 7 passes into a curved smooth surface 9, and at the bottom the top of the extreme tooth surface 8 reverse goes into a curved smooth surface 10, preferably gears in the proposed engine to perform with "Novikov gear", since the load is possible compared with involute gearing is 2.5 times higher. In parallel with the gear lateral surfaces 7 and 8, plane-parallel stops 11 are installed on the lower head of the connecting rod, one of which, in the course of all the cycles of the engine’s working cycle, alternately interacts with the cam 12, made on the opposite side of the working teeth of the gear 4. There is a flywheel 13 to even out the rotation of the shaft 5. The engine also has a gas distribution mechanism, power systems, lubrication, cooling and ignition are not shown in the drawing.

Работает двигатель следующим образом. The engine operates as follows.

При воспламенении горючей смеси в камере сгорания, например в первом цилиндре, газы, расширяясь, давят на днище поршня 2, перемещая его из верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней (НМТ) с усилием P, совершая такт "Рабочий ход", совместно с поршнем 2 перемещается шатун 3, вращая при этом через зубчатую поверхность 7 прямого хода шестерню 4, вал 5 с постоянным крутящим моментом в процессе всего такта "Рабочий ход", равным: M_кр = P•R, где P - сила, развиваемая поршнем;
R - радиус делительной окружности шестерни 4.When the combustible mixture is ignited in the combustion chamber, for example, in the first cylinder, the gases expand, press on the piston bottom 2, moving it from the top dead center (TDC) to the bottom (BDC) with the force P, making the “Travel” stroke, together with the piston 2 moves the connecting rod 3, while rotating the gear 4, the shaft 5 with a constant torque during the entire stroke "stroke", through the gear surface 7 of the forward stroke, equal to: M _cr = P • R, where P is the force developed by the piston;
R is the radius of the pitch circle of the gear 4.

При этом кулачок 12, взаимодействуя попеременно с упорами 11, препятствует самопроизвольному выходу из зацепления шестерни 4 с зубчатыми поверхностями 7 и 8. При подходе поршня 2 к НМТ шестерня 4, продолжая вращение, повернет через поверхность 9 нижнюю головку шатуна 3 относительно оси верхней головки шатуна (подобно кулачковому механизму), при этом шестерня 4 выйдет из зацепления с поверхностью 7 прямого хода и войдет в зацепление с поверхностью 8 обратного хода. Продолжая вращение, шестерня 4 через поверхность 8 обратного хода переместит шатун 3 с поршнем 2 из НМТ к ВМТ, совершая при этом такт "Выпуск". При подходе поршня 2 к ВМТ аналогично сменится направление движения поршня 2 и шатуна 3 и совершится такт "Всасывание", затем такт "Сжатие" и т.д., рабочие циклы каждого цилиндра повторяются, чередуясь, во всех цилиндрах происходит непрерывный рабочий цикл всего двигателя. Наличие маховика 13 сглаживает незначительные перепады величин крутящих моментов в цилиндрах двигателя. In this case, the cam 12, interacting alternately with the stops 11, prevents spontaneous disengagement of the gear 4 with the gear surfaces 7 and 8. When the piston 2 approaches the BDC, the gear 4, while continuing to rotate, will turn through the surface 9 the lower head of the connecting rod 3 relative to the axis of the upper head of the connecting rod (similar to the cam mechanism), while the gear 4 is disengaged from the forward surface 7 and engages with the reverse surface 8. Continuing the rotation, the gear 4 through the return surface 8 will move the connecting rod 3 with the piston 2 from the BDC to the TDC, thus making the “Release” stroke. When the piston 2 approaches the TDC, the direction of movement of the piston 2 and the connecting rod 3 changes similarly and the “Suction” cycle is performed, then the “Compression” cycle, etc., the working cycles of each cylinder are repeated, alternating, in all cylinders there is a continuous working cycle of the entire engine . The presence of the flywheel 13 smooths out slight differences in the magnitudes of the torques in the engine cylinders.

Благодаря тому, что в заявленном двигателе по сравнению с известным по прототипу двигателем "поршневая машина", содержащем в основном блок цилиндров, механизм преобразования возвратно-поступательного движения, состоящий из поршней, размещенных в цилиндрах, кинематически связанных шатунами с коренным валом, а в нижних головках шатунов расположены зубчатые передачи с внутренним зацеплением, согласно предварительным расчетам и эскизной проработке, выполнение верхней и нижней криволинейных поверхностей отверстия нижней головки шатуна гладкими за счет оптимального подбора материалов контактируемой поверхности участка продолжения вершины крайнего зуба боковой зубчатой поверхности прямого и обратного хода позволит увеличить долговечность двигателя в 1,5-2 раза, а также значительно уменьшить длину зубчатого контура колеса, что уменьшит трудозатраты при изготовлении колеса на 30-40%. Due to the fact that in the claimed engine in comparison with the well-known prototype engine "piston machine", which contains mainly a cylinder block, a reciprocating movement conversion mechanism consisting of pistons placed in cylinders kinematically connected by connecting rods to the main shaft and in the lower gear heads with internal gearing are located according to preliminary calculations and preliminary design, the execution of the upper and lower curved surfaces of the holes of the lower connecting rod head due to the optimal selection of materials of the contact surface of the continuation section of the top tooth of the lateral gear of the forward and reverse gears, it will increase the engine durability by 1.5-2 times, as well as significantly reduce the length of the gear contour of the wheel, which will reduce labor costs by 30- 40%

Claims

An internal combustion engine comprising a cylinder block, a mechanism for converting the reciprocating motion of the pistons into a rotational movement of the main shaft, consisting of pistons placed in the cylinders kinematically connected by connecting rods to the main shaft of the engine, as well as a gas distribution mechanism, power supply, lubrication and cooling systems, in the lower head of the connecting rod of each cylinder-piston group there is a gear with internal gearing, the gear of which is mounted on the main shaft, the shaft is straight and installed in rolling bearings located in the bearings of the cylinder block, the gear wheel is made in the hole of the lower connecting rod head, the wheel contour is made of sections of different curvature, for example, in the form of an oval, the side gear surfaces of which are made with less curvature, can be rectilinear, alternately interacting with gear, one toothed lateral surface of the oval corresponds to the forward stroke of the piston, the other to its reverse stroke, and the upper and lower surfaces of the holes of the lower connecting rod head are made with a larger with a life, but no more than the curvature of the tops of the teeth, and in the working cycle correspond to the phase of changing the direction of movement of the piston, the gear of the gear transmission has a cam, made on the side opposite to its working teeth, alternately interacting during the working cycle with stops that are parallel to the tooth lateral surfaces forward and reverse piston stroke, characterized in that the upper and lower curved surfaces of the holes of the lower connecting rod head are smooth, with a radius of at least the radius of the tops of the teeth erni, wherein the upper surface is a continuation of the toothed lateral surface of the tip of the tooth extreme forward stroke of the piston and the bottom - continuation extreme vertex tooth toothed lateral surface of the piston return stroke.