RU2420680C1

RU2420680C1 - Conrod-free mechanism of motion conversion

Info

Publication number: RU2420680C1
Application number: RU2009134289/11A
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Ворогушин (RU); Владимир Александрович Ворогушин
Original assignee: Владимир Александрович Ворогушин
Priority date: 2009-09-15
Filing date: 2009-09-15
Publication date: 2011-06-10
Also published as: RU2009134289A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: conrod-free mechanism consists of secured in case guides for slides, of slides A and B hinged to beam ACB and of link OC. Link OC is hinged to beam ACB and rotates around centre O of rotation of an output shaft of an engine. Also, link OC is made as a group of parallel cranks O₁C₁…O_nC_n equal to each other and equal to links of beams AC and BC. Said cranks O₁C₁…O_nC_n are secured with their one end on a faceplate of beam ACB, while with another end they are secured to the face plate of the output shaft of the engine.

EFFECT: simplified design of mechanism and their improved weight-dimensions characteristics.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к механизмам насосов, компрессоров, поршневых машин, двигателей внутреннего сгорания, а именно к бесшатунным силовым механизмам преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное (и наоборот).The invention relates to mechanical engineering, in particular to mechanisms of pumps, compressors, reciprocating engines, internal combustion engines, and in particular to rodless power mechanisms for converting reciprocating motion into rotational (and vice versa).

Известны устройства бесшатунного механизма преобразования движения (С.С.Баландин «Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания» Машиностроение, 1972 г., стр.14, Рис.11а), в котором промежуточное звено ACB выполнено в виде коленчатого вала, совершающего при работе сложное планетарное движение. В механизм, кроме штоков и ползунов с направляющими, также входят кривошипы OC и OC', вращающиеся относительно центральной оси О двигателя. Механизм включает в себя соединительный вал 5, который кинематически объединяет кривошипы OC и OC' и обеспечивает синхронность их вращения. У основных элементов механизма выдерживается равенство, в пределах заданного допуска, следующих характерных размеров: AC=BC=OC=r=1/4S, (где S - величина хода поршня).Known devices of a rodless mechanism for converting motion (S. S. Balandin "Rodless internal combustion engines" Engineering, 1972, p. 14, Fig. 11a), in which the intermediate link ACB is made in the form of a crankshaft, which performs complex planetary motion during operation . The mechanism, in addition to rods and sliders with guides, also includes cranks OC and OC ', rotating relative to the central axis O of the engine. The mechanism includes a connecting shaft 5, which kinematically combines the cranks OC and OC 'and ensures the synchronization of their rotation. The basic elements of the mechanism maintain equality, within the specified tolerance, of the following characteristic dimensions: AC = BC = OC = r = 1 / 4S, (where S is the magnitude of the piston stroke).

Недостатком этого варианта механизма признана повышенная техническая сложность конструкции, обусловленная наличием соединительного вала 5 и синхронизирующих зубчатых колес 3, 4 и 6, 7.The disadvantage of this variant of the mechanism is the increased technical complexity of the design, due to the presence of the connecting shaft 5 and synchronizing gears 3, 4 and 6, 7.

В другом варианте бесшатунного механизма (С.С.Баландин «Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания» Машиностроение, 1972 г., стр.14, Рис.11б) соединительный вал отсутствует, а его роль выполняет корпус двигателя, который обеспечивает синхронизацию кривошипов ОС и ОС' через зубчатые пары внутреннего зацепления.In another version of the rodless mechanism (S. S. Balandin “Rodless internal combustion engines” Engineering, 1972, p. 14, Fig. 11b) there is no connecting shaft, and its role is played by the engine casing, which ensures synchronization of the OS and OS cranks' through gear pairs of internal gearing.

Недостатком этого варианта механизма является значительное усложнение проблемы поддержания в эксплуатации постоянства соосности подшипников кривошипов OC, OC' и соединяющихся с ними шеек коленчатого вала. Кроме того, нагруженность коленчатого вала полным крутящим моментом двигателя и ограниченность радиуса начальной окружности шестерен 8 и 10 (Рис.11б) величиной r, равной одной четверти полного хода поршней, значительно усложняют создание многоцилиндровых короткоходовых двигателей большой мощности, так как диаметры шеек коленчатого вала этих двигателей получаются по условиям прочности намного больше диаметра начальной окружности шестерен 8 и 10.The disadvantage of this variant of the mechanism is a significant complication of the problem of maintaining in operation a constant alignment of the bearings of the cranks OC, OC 'and the necks of the crankshaft connected to them. In addition, the loading of the crankshaft by the full engine torque and the limited radius of the initial circumference of gears 8 and 10 (Fig. 11b) of r equal to one quarter of the full stroke of the pistons greatly complicate the creation of multi-cylinder short-stroke engines of high power, since the diameters of the necks of the crankshaft of these engines are obtained under conditions of strength much larger than the diameter of the initial circumference of the gears 8 and 10.

Задачей изобретения является упрощение бесшатунного механизма путем исключения из его силовой схемы соединительного вала и синхронизирующих шестерен как внешнего, так и внутреннего зацепления.The objective of the invention is to simplify the rod-free mechanism by eliminating from its power circuit the connecting shaft and synchronizing gears of both external and internal gearing.

Задача изобретения решается тем, что передача крутящего момента от коленчатого вала к центральным полувалам осуществлена через поводковые узлы, работающие по принципу синхронного вращения группы параллельных кривошипов.The objective of the invention is solved in that the transmission of torque from the crankshaft to the central half shafts is carried out through the drive units, operating on the principle of synchronous rotation of a group of parallel cranks.

Полученный технический результат характеризуется следующими существенными признаками:The technical result obtained is characterized by the following essential features:

1. Узел 4 выполнен в виде группы параллельных кривошипов, включающих два или более двух равных звену OC поводков O₁C₁; O₂C₂…-…O_nC_n, расположенных параллельно друг другу и шарнирно закрепленных одним концом на планшайбе 1, принадлежащей балке ABC, а другим концом на планшайбе 2, принадлежащей выходному валу, при этом расположение шарнирных центров поводков O₁; O₂…O_n и C₁; C₂…C_n в плане выбирается таким, чтобы свобода их плоскопараллельного вращения не ограничивалась возможностью взаимного соударения.1. The node 4 is made in the form of a group of parallel cranks, including two or more two equal to the link link OC leads O ₁ C ₁ ; O ₂ C ₂ ... - ... O _n C _n located parallel to each other and pivotally fixed at one end on the faceplate 1 belonging to the beam ABC, and the other end on the faceplate 2 belonging to the output shaft, wherein the arrangement of the hinge centers of the leads O ₁ ; O ₂ ... O _n and C ₁ ; C ₂ ... C _n in the plan is chosen so that the freedom of their plane-parallel rotation is not limited by the possibility of mutual collision.

2. Планшайба 2, закрепленная на выходном валу, планшайба 1, закрепленная на торце коленчатого вала, и поводки O₁C₁; O₂C₂…-…O_nC_n, входящие в узел параллельных кривошипов, установлены с каждого торца коленчатого вала без его концевых коренных шеек.2. The plate 2, mounted on the output shaft, the plate 1, mounted on the end of the crankshaft, and leashes O ₁ C ₁ ; O ₂ C ₂ ... - ... O _n C _n included in the parallel crank assembly are installed from each end of the crankshaft without its end main journals.

На Фиг.1 показана кинематическая схема бесшатунного механизма, поясняющая принцип работы устройства.Figure 1 shows the kinematic diagram of a rod-free mechanism explaining the principle of operation of the device.

На Фиг.2 показан один из возможных вариантов использования описанной кинематической схемы в поршневых двигателях.Figure 2 shows one of the possible uses of the described kinematic scheme in piston engines.

Бесшатунный силовой механизм на Фиг.1 изображен в одном из промежуточных положений и состоит из ползунов A и B, имеющих свободу возвратно-поступательного движения по направляющим 3, балки ACB и звена OC, точка O которого является центром вращения выходного вала двигателя, а точка C - центром вращения балки ACB. Звено OC представлено единым узлом 4 (пунктирный контур) параллельных кривошипов, в который включены два или более двух поводков O₁C₁; O₂C₂… …O_nC_n, равной длины, расположенных параллельно друг другу и шарнирно закрепленных своими концами на планшайбе 1, принадлежащей балке ACB и планшайбе 2, принадлежащей выходному валу. Балка ACB представляет собой проекцию коленчатого вала на перпендикулярную плоскость, а планшайба 1 является его торцевой поверхностью. В свою очередь, планшайба 2 выполнена на торцевой поверхности выходного вала, с которого снимается или которому передается полезная мощность. Узел 4 параллельных кривошипов может быть установлен как с одной, так и с двух сторон описанного бесшатунного механизма преобразования движения.The rodless power mechanism in FIG. 1 is shown in one of the intermediate positions and consists of sliders A and B having freedom of reciprocating movement along the guides 3, ACB beams and link OC, the point O of which is the center of rotation of the engine output shaft, and the point C - the center of rotation of the ACB beam. Link OC is represented by a single node 4 (dashed outline) of parallel cranks, which includes two or more of two leads O ₁ C ₁ ; O ₂ C ₂ ... ... O _n C _n , of equal length, spaced parallel to each other and pivotally fixed at their ends on faceplate 1 belonging to the ACB beam and faceplate 2 belonging to the output shaft. The ACB beam is the projection of the crankshaft on a perpendicular plane, and the faceplate 1 is its end surface. In turn, the faceplate 2 is made on the end surface of the output shaft, from which the useful power is removed or to which it is transmitted. The node 4 of the parallel cranks can be installed both on one or both sides of the described rodless mechanism for converting movement.

На Фиг.2 предложенный бесшатунный силовой механизм изображен в одном из возможных вариантов применения в поршневых двигателях. При этом основные элементы механизма, включающие планшайбу 2, закрепленную на выходном валу, планшайбу 1, закрепленную на торце коленчатого вала, и поводки O₁C₁; O₂C₂…-…O_nC_n, входящие в узел параллельных кривошипов, установлены с каждой стороны коленчатого вала, без его концевых коренных шеек.In Fig.2, the proposed rodless power mechanism is depicted in one of the possible applications in piston engines. Moreover, the main elements of the mechanism, including the faceplate 2, mounted on the output shaft, the faceplate 1, mounted on the end of the crankshaft, and leashes O ₁ C ₁ ; O ₂ C ₂ ... - ... O _n C _n , included in the node of parallel cranks, are installed on each side of the crankshaft, without its end main necks.

Бесшатунный силовой механизм работает следующим образом (Фиг.1).Rodless power mechanism works as follows (Figure 1).

Под действием силы P ползун A движется вниз, разворачивая балку ACB (коленчатый вал) и планшайбу 1 против часовой стрелки с угловой скоростью ω. Поводки O₁C₁; O₂C₂… - …O_nC_n узла параллельных кривошипов 4, поворачиваясь с угловой скоростью -ω, воздействуют на планшайбу 2, передавая ей и, следовательно, выходному валу крутящий момент от силы P и угловую скорость ω. После того как ползун A достигнет центральной точки O, а ползун B окажется в BMT, описанный процесс повторяется под действием силы N и далее непрерывно с заданной угловой скоростью ω.Under the action of the force P, the slider A moves downward, turning the beam ACB (crankshaft) and the faceplate 1 counterclockwise with an angular velocity ω. Leashes O ₁ C ₁ ; O ₂ C ₂ ... - ... O _n C _{n the} node of the parallel cranks 4, turning with an angular speed of -ω, act on the faceplate 2, transmitting to it and, therefore, the output shaft the torque from the force P and the angular speed ω. After the slider A reaches the central point O, and the slider B ends up in BMT, the described process is repeated under the action of the force N and then continuously with a given angular velocity ω.

Поводки узла параллельных кривошипов 4 воспринимают продольные нагрузки от газовых и инерционных сил аналогично кривошипу коленчатого вала и передают их на подшипники выходного вала вместе с полезным крутящим моментом.The leads of the parallel crank assembly 4 receive longitudinal loads from gas and inertial forces similar to the crankshaft crank and transmit them to the output shaft bearings together with the useful torque.

Отсутствие необходимости в специальных синхронизирующих элементах значительно упрощает описанный бесшатунный механизм, уменьшает его массу и делает более технологичным в производстве, чем существенно снижает стоимость.The lack of need for special synchronizing elements greatly simplifies the described rod-free mechanism, reduces its mass and makes it more technologically advanced in production than significantly reduces the cost.

Кроме того, с момента появления первых бесшатунных ДВС конструкции С.С.Баландина не удавалось полностью реализовать заложенный в них потенциал допустимых средних скоростей поршня (20-25 м/с), в два раза превышающий рекомендуемые значения для обычных ДВС (10-12 м/с). Для этого требовался выбор отношения хода поршня S к диаметру цилиндра D в интервале значений S/D=1,6-2,4, чему препятствовал быстрый рост потребных диаметров рабочих поверхностей подшипников.In addition, since the appearance of the first rodless ICE design by S.S. Balandin, it was not possible to fully realize the potential inherent in them of acceptable average piston speeds (20-25 m / s), twice the recommended values for conventional ICEs (10-12 m /from). For this, it was necessary to choose the ratio of the piston stroke S to the cylinder diameter D in the range of S / D = 1.6-2.4, which was hindered by the rapid growth of the required diameters of the bearing working surfaces.

В рассмотренном бесшатунном механизме данная проблема снята. Все значения S/D из названного интервала могут быть использованы в реальной конструкции с получением минимальных габаритов механизма, так как потребный диаметр пальцев, на которые посажены поводки узла параллельных кривошипов 4, всегда в 2-3 раза меньше диаметра штоковых шеек. Последнее обстоятельство оказывает пропорциональное влияние и на снижение скорости скольжения рабочей поверхности проушины поводка по поверхности пальца.In the considered rodless mechanism, this problem is removed. All S / D values from the mentioned interval can be used in a real design with obtaining the minimum dimensions of the mechanism, since the required diameter of the fingers on which the leashes of the parallel crank assembly 4 are mounted is always 2-3 times smaller than the diameter of the rod necks. The latter circumstance has a proportional effect on the decrease in the sliding speed of the working surface of the leash eye along the surface of the finger.

Предложенное устройство бесшатунного механизма преобразования движения, в котором для передачи крутящего момента от планетарного коленчатого вала, использован узел параллельных кривошипов 4, позволило исключить из его схемы соединительный синхронизирующий вал и синхронизирующие пары шестерен внешнего или внутреннего зацепления, что значительно упростило устройство, уменьшило его массу, улучшило технологичность. Стало возможным с целью полного использования допустимых средних скоростей поршня, выбирать значения отношения хода поршня S к диаметру цилиндра D в интервале больших значений, например S/D=1,6-2,4.The proposed device of the rodless mechanism for converting motion, in which a parallel crankshaft assembly 4 was used to transmit torque from the planetary crankshaft, made it possible to exclude the connecting synchronizing shaft and synchronizing pairs of gears of external or internal gearing from its circuit, which greatly simplified the device and reduced its mass, improved manufacturability. It became possible, in order to make full use of the permissible average piston speeds, to choose the ratio of the piston stroke S to the cylinder diameter D in the range of large values, for example, S / D = 1.6-2.4.

Claims

1. A connecting rod-free motion conversion mechanism containing guides for sliders fixed in the housing, sliders A and B, pivotally connected to the ASV beam, the links of which AC and BC are part of the beam, are equal to each other and equal to the OS link, the ASV beam is pivotally connected to the OS link with the possibility of rotation around the center C, the OS link is a crank with the possibility of rotation around the center O, while the sliders A and B have freedom of movement along the axes crossing the center of rotation O, characterized in that the node 4 is made in the form of a group of parallel curved studs, including two or more two equal to the link OS leashes O ₁ C ₁ ; O ₂ C ₂ ... - ... O _n C _n located parallel to each other and pivotally fixed at one end on the faceplate 1 belonging to the ACB beam and the other end on the faceplate 2 belonging to the output shaft, wherein the arrangement of the hinge centers of the leads O ₁ ; O ₂ ... O _n and C ₁ ; C ₂ ... C _n in the plan is chosen so that the freedom of their rotation is not limited by the possibility of mutual collision.

2. The connecting rod-free motion conversion mechanism according to claim 1, characterized in that the faceplate 2 is mounted on the output shaft, the faceplate 1 is mounted on the end of the crankshaft, and leashes O ₁ C ₁ ; O ₂ C ₂ ... - ... O _n C _n included in the node of the parallel cranks 4 are installed from each end of the crankshaft without its end main necks.