RU2339828C2

RU2339828C2 - Mechanism to convert ice piston reciprocation into crankshaft rotation

Info

Publication number: RU2339828C2
Application number: RU2006136474/06A
Authority: RU
Inventors: Юрий Алексеевич Пахомов (RU); Юрий Алексеевич Пахомов; Юрий Иосифович Фокин (RU); Юрий Иосифович Фокин; Сергей Анатольевич Киселев (RU); Сергей Анатольевич Киселев
Original assignee: ГОУВПО "Брянский государственный технический университет"
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2008-11-27
Also published as: RU2006136474A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention relates to machine building, particularly, to engine building and can be used in compressors as well as in whatever units converting reciprocation into rotation. The proposed mechanism converting the piston reciprocation into the crankshaft rotation incorporates a cylinder with opposed pistons jointed by con-rods furnished with racks sliding over the cylinder generating line. The aforesaid racks surfaces feature the grooves with radius of the toothed sector outer circumference and centers located on the cylinder vertical axis and spaced apart by the piston stroke. The aforesaid toothed sector made on the semi-circle feature the length equal to the piston stroke. The piston side coming out of the engagement with the aforesaid racks is cut by the thickness equal to the tooth height. Note that the toothed sector is fitted on the drive shaft, between the racks, and periodically gets into mesh with them. The cylinder axis and the toothed sector axis of rotation are shifted in the same direction by the off-center distance from the said sector geometrical axis. The length of the sector semi-circle and developed surface of the rack toothed par are equal to provided for a preset piston stroke, while the rack profile satisfy the condition

where OA = R₃ is the distance from the toothed sector axis of rotation to the point it is in mesh with the rack, m, ε is the eccentricity, R is the toothed sector semi-circle radius, m; α is the angle of the toothed sector turn, degrees. Note that the racks have the grooves made thereon with a large radius of engagement, the grooves centers being located on the sector axis of rotation and spaced apart along the vertical by the piston stroke. The axes of rotation of the toothed sectors in question are misaligned and shifted to the cylinder axis opposite sides, the centers eccentricity being shifted from the sectors axes of geometry in one direction.

EFFECT: reduced forces of inertia originating at sharp variation of piston stroke direction and engine output increase.

2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в компрессорах, а также установках, где вращательное движение преобразуется в возвратно-поступательное.The invention relates to mechanical engineering, in particular to engine building, and can be used in compressors, as well as installations where rotational motion is converted into reciprocating.

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.A known drive mechanism of the drive shaft of an internal combustion engine [1], comprising a housing with a cylinder, a piston with a thrust and a pusher installed in the cylinder with the formation of a combustion chamber, a gear rack mounted on the thrust, a drive shaft offset from the axis of the piston, a gear sector, is located on the drive shaft with the possibility of periodic interaction with the gear rack and the device for returning the piston to top dead center.

Недостатком этого механизма является сложность конструкции из-за наличия специального устройства для возврата поршня в верхнюю мертвую точку и системы рычагов.The disadvantage of this mechanism is the design complexity due to the presence of a special device for returning the piston to the top dead center and leverage systems.

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.A known drive mechanism of an internal combustion engine [2], comprising a rod pivotally connected to the piston and a gear rack engaged with the gear sector, a pusher interacting with the profile cam along the curved sections of lifting, lowering and stopping the piston.

Недостатком этого технического решения является наличие дополнительного профильного кулачка, толкателя и направляющей втулки, что усложняет конструкцию и увеличивает габариты двигателя.The disadvantage of this technical solution is the presence of an additional profile cam, pusher and guide sleeve, which complicates the design and increases the size of the engine.

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.The closest in technical essence to the claimed invention is the drive mechanism of an internal combustion engine [3], adopted as a prototype. The mechanism consists of a cylinder with opposed pistons, rigidly connected rods with gear racks located on them. Between the rails on the axes of the cylinder there is a gear sector with a drive shaft. The length of the semicircle of the gear sector is equal to the stroke of the piston. Toothed sector from the side of the tooth gathering from the mesh is cut to the height of the tooth perpendicular to the diameter of the semicircle. Two grooves with a radius of a semicircle of the gear sector are made on the gear racks, which are offset one from another by the magnitude of the piston stroke.

Недостатком этого технического решения являются значительные силы инерции, возникающие в механизме при резком изменении направления движения поршней в мертвых точках.The disadvantage of this technical solution is the significant inertia forces that occur in the mechanism with a sharp change in the direction of movement of the pistons at the dead center.

Целью изобретения является снижение сил инерции, возникающих при резком изменении направления движения поршней и повышение мощности двигателя.The aim of the invention is to reduce the inertia forces arising from a sharp change in the direction of movement of the pistons and increase engine power.

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.This goal is achieved by improving the kinematic connection of the pistons with the drive shaft in a mechanism with opposed pistons in the working cylinder and gear racks that periodically engage with the gear sector located on the drive shaft.

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.New in the claimed invention is that the mechanism for converting the reciprocating motion of the piston into the rotational motion of the shaft of the internal combustion engine contains a cylinder with opposed pistons, connected by rods with gear racks located on them, sliding along the cylinder generatrix, on which grooves are made with a radius of the outer circle gear sector, the centers of which are located on the vertical axis of the cylinder and spaced apart by the size of the piston stroke, gear sector, execution semicircle, the length of which is equal to the stroke of the piston, which is cut off to the side equal to the height of the tooth on the side coming out of engagement with the rails, and the gear sector is located on the drive shaft between the racks and periodically engages with the gear racks.

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:The axis of the cylinder and the axis of rotation of the gear sector are shifted to one side by the amount of eccentricity from the geometric axis of the sector, the length of the semicircle of the sector and the expanded surface of the gear part of the rack are equal to each other and provide a given piston stroke, and the profile of the gear rack is made in accordance with the dependence:

,

где ОА = R_з - расстояние от оси вращения зубчатого сектора до точки зацепления его с зубчатой рейкой, м;where OA = R _s - the distance from the axis of rotation of the gear sector to the point of engagement with the gear rack, m;

ε - эксцентриситет;ε is the eccentricity;

R - радиус полуокружности зубчатого сектора, м;R is the radius of the semicircle of the gear sector, m;

α - угол поворота радиуса зубчатого сектора, град,α is the angle of rotation of the radius of the gear sector, deg,

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.and the grooves are made with grooves of large radius of engagement, the centers of which lie on the axis of rotation of the sector and are spaced vertically from each other by the value of the piston stroke.

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.The axis of rotation of the gear sectors do not coincide with the axis of the cylinder and are offset in different directions from the axis of the cylinder, and the eccentricities of the sectors are offset from their geometric axes in one direction.

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.Thanks to these features, the drive shaft rotates at a constant frequency, and the piston moves at a variable speed, reaching a minimum value as it approaches the dead center. The presence of eccentricity and engagement of the gear sector with a large radius of rotation at the moment of the start of the piston stroke, when the gas pressure in the cylinder is maximum, increases the torque on the shaft, and therefore the engine power.

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.Figures 1 and 2 show cross sections of a cylinder of an internal combustion engine at two extreme positions of the pistons; figure 3 and 4 are cross sections of a cylinder with two drive shafts, and figure 5 is a gear sector.

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.The mechanism for converting the reciprocating motion of the piston into the rotational motion of the shaft of the internal combustion engine consists of a cylinder 1, in which the opposed upper piston 2 and the lower piston 3 are arranged, which form the combustion chambers. Pistons 2 and 3 are rigidly interconnected by gear racks 4 and 5, placed against each other. The profiles of the gear racks are mirror-parallel to each other and repeat the law of motion of point A during the rotation of the gear sector.

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:When the gear sector rotates around point O (FIG. 5), when turning through an angle α, it moves around a circle of radius R and sequentially occupies positions from A to A ₄ , being engaged with the gear rack. The law of motion of point A relative to the center of rotation O is described by the equation:

,

где R_з - переменный радиус зацепления, м;where R _z - variable mesh radius, m;

ε - эксцентриситет;ε is the eccentricity;

α - угол поворота зубчатого сектора, град.α is the angle of rotation of the gear sector, deg.

В уравнении знак «-» принимается при α>90°, а знак «+» при α<90°. При α=90° уравнение принимает видIn the equation, the sign “-” is taken at α> 90 °, and the sign “+” at α <90 °. At α = 90 °, the equation takes the form

.

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.In accordance with this law of movement of point A, the teeth of the rack should defend, at the corresponding angles of rotation of the gear sector, by the current distance OA, i.e. have a profile depending on the angle of rotation α according to the above dependence.

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.On opposite inner sides of the rails, grooves are made with a maximum radius of rotation of the gear sector 6 mounted on the drive shaft 7 (see Fig. 1). The centers of the radii of the grooves are located on the vertical axis of the cylinder and are opposed to each other by the size of the piston stroke S, and opposite the centers of the radii of the grooves, the arc of the grooves passes into the tooth profile.

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.The gear sector is made on a semicircle of radius R, the length of which is greater than the piston stroke S, and its axis of rotation lies on the axis of the cylinder and does not coincide with the geometrical vertical axis of the semicircle by the eccentricity ε. The length of the semicircle of the sector is equal to the unfolded length L of the rack. On the side out of engagement with the racks, the gear sector is cut to a thickness equal to the height of the tooth at an angle of inclination of the gear rack.

Рабочий ход поршня 3 отстоит от рабочего хода поршня 2 на 180° градусов для двухтактного двигателя и на 360° градусов для четырехтактного.The stroke of the piston 3 is separated from the stroke of the piston 2 by 180 ° degrees for a two-stroke engine and 360 ° degrees for a four-stroke.

Механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.The mechanism for converting the reciprocating motion of the piston into the rotational motion of the shaft of the internal combustion engine works as follows.

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.When the position of the upper piston 2 at the bottom dead center (HMTv, Fig. 1), the gear sector 6 is not engaged with the

gear racks

4 and 5 due to the presence of a groove on the rack 4 and the cut part of the gear sector 6 from the side of the rack 5, and the teeth sectors 6 are below the line connecting its ends. During the combustion of the working mixture by increasing the pressure, the piston 3 moves up and the rack 4, when the piston 3 begins to move, engages with the gear sector 6 with the largest gear radius

(figure 5). When you start moving the piston 3 up on the drive shaft 7 creates the maximum torque, because in cylinder maximum gas pressure and maximum radius

rotation of the gear sector. The torque acts in the clockwise direction and is equal to the product of gas pressure by the radius of engagement of the gear sector. As the piston 3 moves up, the radius of engagement of the sector decreases to

(figure 5), but due to the corresponding profile, the gear rack 4 and the gear sector 6 are constantly engaged. With a decrease in the radius of engagement, the speed of the lower piston 3 as it approaches the bottom dead center (BDC) slows down. During the movement of the piston 3 to the bottom dead center, the upper piston 2 moves to its top dead center (TDC). The upper piston 2 will come to TDC after the gear sector rotates 180 °, since the semicircle length of a sector of radius R is equal to the deployed gear rack length L, i.e. the rack with

pistons

2 and 3 will move vertically on the stroke of the pistons S. At the same time, the upper piston 2 will come to the TDC, and the gear sector 6 will disengage from the rack 4, but will not yet mesh with the rack 5, as it will be in the groove of the rack , which by this time will approach the axis of the drive shaft.

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.As soon as the upper piston 2 arrives at the TDC (FIG. 2), fuel will burn in its combustion chamber, and the gas pressure will cause it to move down. Now the rack 5 will mesh with the gear sector 6 at the maximum radius of engagement and create a torque on the drive shaft 7, also directed clockwise, and the rack 4 at this time does not engage with the gear sector. After the arrival of the upper piston 2 in the BDC, the gear sector 6 will complete a full revolution and return to its original position (see figure 1). Then the process will be repeated.

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.The operation of the drive mechanism is described for a two-stroke engine. For a four-stroke engine, the operation of the mechanism is similar, only the exhaust and intake strokes will occur due to the rotation of the drive shaft 7 due to inertia or the operation of neighboring cylinders. The engine may have the required number of cylinders installed in a row or rotated relative to each other at a given angle.

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.The mechanism of an internal combustion engine of this type can be used in engines or other reciprocating machines, with a piston stroke length limited by the semicircle of the gear sector, the eccentricity and the profile of the gear racks due to the possibility of placing them in the size of the diameter of the cylinder.

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.To use the mechanism in piston machines with increased piston stroke, the gear sector is located outside the cylinder. In this case, the mechanism for converting the reciprocating motion of the pistons into a rotational drive shaft consists of two gear sectors (see FIGS. 3 and 4); left 6L and right 6P located on the drive shafts 7L and 7P, rotating in the same direction, alternately engaged with their rails 4 and 5. To synchronize the rotation of the drive shafts 7L and 7P, they are interconnected by a gear transmission.

Конструктивное исполнение зубчатых секторов и реек, а также принцип действия механизма аналогичен вышеописанному.The design of the gear sectors and racks, as well as the principle of the mechanism is similar to the above.

Список литературыBibliography

1. Заявка Франции №2621077, кл. F02B 5/32, опубл. 1989 г.1. Application of France No. 2621077, cl. F02B 5/32, publ. 1989 year

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

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

Claims

1. The mechanism for converting the reciprocating motion of the piston into the rotational motion of the shaft of the internal combustion engine, comprising a cylinder with opposed pistons, connected by rods with gear racks located on them, sliding along the cylinder generatrix, on which grooves are made with a radius of the outer circumference of the gear sector, the centers of which located on the vertical axis of the cylinder and spaced apart by the size of the piston stroke, a gear sector made on a semicircle, the length of which is in the direction of the piston, which on the side which is out of engagement with the rails is cut to a thickness equal to the height of the tooth, the gear sector being located on the drive shaft, between the racks and periodically engaging with the gear racks, characterized in that the cylinder axis and the axis of rotation of the gear sector offset to one side by the amount of eccentricity from the geometric axis of the sector, the length of the semicircle of the sector and the deployed surface of the gear part of the rack are equal to each other and provide a given piston stroke, and the profile of the gear rack n according to dependency

,

where OA = R _s - the distance from the axis of rotation of the gear sector to the point of engagement with the gear rack, m;

ε is the eccentricity;

R is the radius of the semicircle of the gear sector, m;

α is the angle of rotation of the radius of the gear sector, deg,

and the grooves are made with grooves of large radius of engagement, the centers of which lie on the axis of rotation of the sector and are spaced vertically from each other by the value of the piston stroke.

2. The mechanism for converting the reciprocating motion of the piston into the rotational motion of the shaft of the internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the axis of rotation of the gear sectors do not coincide with the axis of the cylinder and are shifted in different directions from the axis of the cylinder, and the eccentricities of the sectors are offset from their geometric axes in one direction.