RU2479734C2

RU2479734C2 - Mechanism for conversion of piston reciprocation into rotation by two ice con-rod racks

Info

Publication number: RU2479734C2
Application number: RU2011126510/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Иванович Дирин
Original assignee: Николай Иванович Дирин
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2013-04-20
Also published as: RU2011126510A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: proposed mechanism consists of cylinder block, piston, piston pin and con-rod. Gears are fitted on engine shaft under every cylinder. Piston with con-rod and two moving racks arranged on both sides of engine shaft reciprocate along cylinder axis. One rack disengages from gear while second rack engages with gear on engine shaft at piston TDC and BDC in traverse direction relative to con-rod displacement axis. Engine shaft master cam orients racks with the number of teeth multiple of four and follows them in fixed position relative to gear while piston stroke is limited by con-rod stop.

EFFECT: decreased mechanical losses.

6 dwg

Description

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, а более конкретно служит для замены кривошипно-шатунного механизма на механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала двигателя двумя подвижными зубчатыми рейками на шатуне.The invention relates to internal combustion engines, and more specifically serves to replace the crank mechanism by a mechanism for converting the reciprocating motion of the piston into the rotational movement of the engine output shaft with two movable gear racks on the connecting rod.

Известно, что на современных двигателях внутреннего сгорания для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала применяется кривошипно-шатунный механизм. Во время такта расширения усилие от давления газов передается через поршень и поршневой палец на шатун и одновременно боковым усилием прижимает поршень к стенке цилиндра. Усилие, направленное по оси шатуна, через шатунную шейку действует на колено вала, которое разлагается на радиальное усилие, направленное по радиусу кривошипа и прижимающее коренные шейки коленчатого вала к подшипникам, и тангенциальное касательное усилие, направленное перпендикулярно радиусу кривошипа, приложенное к шатунной шейке и вращающее коленчатый вал. У кривошипно-шатунного механизма одним из основных параметров, влияющих на величину передаваемой мощности от давления газов в цилиндре на поршень, является угол поворота коленчатого вала, перемещение поршня и угол отклонения шатуна от оси цилиндра. За рабочий ход поршня коленчатый вал поворачивается на угол от 0 до 180°. Крутящий момент на валу двигателя, который зависит от величины тангенциального касательного усилия, при повороте коленчатого вала от 0 до 90° возрастает от 0 до максимума, а при дальнейшем повороте от 90° до 180° уменьшается до 0. Тепловая энергия, развиваемая внутри цилиндра от давления газов на поршень, преобразуется в механическую работу, часть этой механической энергии затрачивается на преодоление полезных сопротивлений, т.е. на вращение коленчатого вала и приведение в движение потребителей. Остальная часть механической энергии расходуется на преодоление внутренних сопротивлений в двигателе (трение между поршнем и гильзой цилиндра, трение шеек коленчатого вала в подшипниках и т.д.). Часть механической энергии расходуется на увеличение силы движущихся частей механизма, главным образом маховика. Маховик является аккумулятором кинетической энергии с целью ее отдачи для вывода поршней из мертвых точек, облегчает вращение коленчатого вала при пуске двигателя и равномерного его вращения. Чем больше размеры маховика и частота циклов у двигателя, тем меньше колебания угловой скорости.It is known that on modern internal combustion engines, a crank mechanism is used to convert the reciprocating motion of the piston into rotational motion of the shaft. During the expansion stroke, the force from the gas pressure is transmitted through the piston and the piston pin to the connecting rod and at the same time the lateral force presses the piston against the cylinder wall. The force directed along the connecting rod axis acts on the crankshaft through the connecting rod neck, which decomposes into a radial force directed along the radius of the crank and pressing the crankshaft main necks to the bearings, and a tangential tangential force directed perpendicular to the radius of the crank applied to the connecting rod neck and crankshaft. In the crank mechanism, one of the main parameters affecting the amount of transmitted power from the gas pressure in the cylinder to the piston is the angle of rotation of the crankshaft, the movement of the piston and the angle of deviation of the connecting rod from the cylinder axis. During the working stroke of the piston, the crankshaft rotates through an angle from 0 to 180 °. The torque on the engine shaft, which depends on the tangential tangential force, increases from 0 to maximum when the crankshaft rotates from 0 to 90 °, and decreases to 0 when further turns from 90 ° to 180 °. Thermal energy developed inside the cylinder from the gas pressure on the piston is converted into mechanical work, part of this mechanical energy is spent on overcoming useful resistances, i.e. to rotate the crankshaft and drive consumers. The rest of the mechanical energy is spent on overcoming internal resistance in the engine (friction between the piston and the cylinder liner, friction of the crankshaft journals in bearings, etc.). Part of the mechanical energy is spent on increasing the strength of the moving parts of the mechanism, mainly the flywheel. The flywheel is a battery of kinetic energy for the purpose of its return to the output of the pistons from the dead points, facilitates the rotation of the crankshaft when starting the engine and its uniform rotation. The larger the flywheel’s dimensions and the cycle frequency of the engine, the less the angular velocity fluctuations.

Конструкция кривошипно-шатунного механизма представляет собой сложное устройство, требующее высокой точности при изготовлении и ухода во время эксплуатации. Конструкция кривошипно-шатунного механизма подробно описана в литературе [Маргулис Ю.Б. Двигатели внутреннего сгорания. Теория, конструкция и расчет. Изд. 2-е. - М.: «Машиностроение» 1972, с.14, 256-296; Шестопалов К.С., Демиховский С.Ф. Легковые автомобили. - М.: ДОСААФ, 1989, с.12-24].The design of the crank mechanism is a complex device that requires high precision in the manufacture and care during operation. The design of the crank mechanism is described in detail in the literature [Margulis Yu.B. Internal combustion engines. Theory, construction and calculation. Ed. 2nd. - M .: "Mechanical Engineering" 1972, p.14, 256-296; Shestopalov K.S., Demikhovsky S.F. Cars. - M .: DOSAAF, 1989, p.12-24].

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и повышение технико-экономических показателей двигателя за счет снижения механических потерь, устранения колебания угловой скорости (соответственно снижение числа оборотов двигателя) и упрощения конструкции.The aim of the present invention is to remedy these disadvantages and improve the technical and economic performance of the engine by reducing mechanical losses, eliminating fluctuations in angular velocity (respectively, reducing the number of engine revolutions) and simplifying the design.

Указанная цель достигается тем, что в отличие от известного двигателя внутреннего сгорания, состоящего из блока цилиндров, поршня, поршневого пальца, шатуна и коленчатого вала, в предлагаемом двигателе отсутствует коленчатый вал, а усилие от давления газов на поршень передается двумя зубчатыми рейками на шатуне, поочередно входящими в зацепление с шестерней на валу двигателя. Зубчатые рейки расположены по разные стороны относительно шестерни, соединены между собой шпильками, и когда одна из реек находится в зацеплении с шестерней, то между вершинами зубьев на второй рейке и на шестерне имеется допустимый зазор для свободного встречного перемещения. В верхней части шатуна имеется отверстие под поршневой палец и второе отверстие под шпильку, соединяющую между собой две зубчатые рейки. Нижняя часть шатуна разветвляется на четыре направляющие планки, которые попарно скользят по направляющим втулкам на валу двигателя, совершая прямолинейное возвратно-поступательное движение шатуна. Хвостовая часть направляющих скреплена торцевой планкой с отверстием под вторую шпильку. Зубчатые рейки свободно перемещаются в поперечном направлении к валу двигателя в ориентированном положении относительно шестерни. Перемещение зубчатых реек в поперечном направлении возможно только в верхней и нижней мертвых точках поршня, поочередно меняя сцепление шестерни то с одной, то с другой зубчатой рейкой. Зубчатые рейки перемещаются от усилия пружины на рычаг и упор на зубчатой рейке. Ориентация зубчатых реек относительно шестерни в момент перемещения зубчатых реек и их сопровождение в фиксированном положении относительно шестерни, осуществляется копиром, установленном на валу двигателя. При ходе поршня вниз вал двигателя повернется от одной зубчатой рейки от 0° до 180°, а при ходе поршня вверх вал двигателя повернется от другой зубчатой рейки от 180° до 360°, совершив полный оборот. Ход поршня в нижней мертвой точке ограничивается торцевой поверхностью на вилкообразном пазе в боковой щечке шатуна и торцевой поверхностью на направляющей втулке. Ход поршня в верхней мертвой точке ограничивается торцевой планкой на шатуне и второй гранью торцевой поверхности на направляющей втулке. Размер паза в боковой щечке шатуна равен суммарному размеру длины направляющей втулки и ходу поршня.This goal is achieved by the fact that, in contrast to the known internal combustion engine, consisting of a cylinder block, a piston, a piston pin, a connecting rod and a crankshaft, the proposed engine does not have a crankshaft, and the force from the gas pressure on the piston is transmitted by two gear racks on the connecting rod, alternately engaged with the gear on the motor shaft. The gear racks are located on different sides relative to the gear, connected by studs, and when one of the racks is meshed with the gear, then between the tops of the teeth on the second rack and on the gear there is an allowable clearance for free oncoming movement. In the upper part of the connecting rod there is a hole for the piston pin and a second hole for the pin connecting the two toothed racks. The lower part of the connecting rod branches into four guide strips, which slide in pairs along the guide bushings on the motor shaft, making a linear reciprocating motion of the connecting rod. The tail of the guides is fastened with an end strip with a hole for the second hairpin. Gear racks freely move in the transverse direction to the motor shaft in an oriented position relative to the gear. The movement of the gear racks in the transverse direction is possible only in the upper and lower dead points of the piston, alternately changing the clutch of the gear from one to another gear rack. The gear racks move from the spring force to the lever and the emphasis on the gear rack. The orientation of the gear racks relative to the gear at the time of movement of the gear racks and their accompaniment in a fixed position relative to the gear is carried out by a copier mounted on the motor shaft. When the piston moves down, the engine shaft will turn from one gear rack from 0 ° to 180 °, and when the piston moves up, the engine shaft will turn from another gear rack from 180 ° to 360 °, having made a complete revolution. The piston stroke at bottom dead center is limited by the end surface on the fork-shaped groove in the side cheek of the connecting rod and the end surface on the guide sleeve. The piston stroke at top dead center is limited by the end plate on the connecting rod and the second face of the end surface on the guide sleeve. The size of the groove in the side cheek of the connecting rod is equal to the total size of the length of the guide sleeve and the stroke of the piston.

На фиг.1 изображен общий вид механизма в продольном разрезе блока цилиндров двигателя и вырезом для лучшей наглядности конструкции, на фиг.2 - поперечный разрез механизма по оси вала двигателя, на фиг.3 - сечение механизма по линии взаимодействия зубчатых реек с шестерней на валу двигателя, на фиг.4 - сечение механизма в момент перемещения зубчатых реек, на фиг.5 - сечение механизма в момент ориентации зубчатых реек относительно шестерни и сопровождения по кулачку, на фиг.6 - поперечный разрез механизма для наглядности в увеличенном масштабе.In Fig.1 shows a General view of the mechanism in longitudinal section of the engine block of the engine and a cutout for better clarity of construction, Fig.2 is a transverse section of the mechanism along the axis of the engine shaft, Fig.3 is a cross section of the mechanism along the line of interaction of gear racks with gear on the shaft engine, in Fig.4 is a cross section of the mechanism at the time of movement of the gear racks, in Fig.5 is a cross section of the mechanism at the time of the orientation of the gear racks relative to the gear and the cam follower, Fig.6 is a transverse section of the mechanism for clarity on an enlarged scale.

Механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращение вала двигателя размещается в картере блока цилиндров 1. В поперечных перегородках картера расположены разъемные гнезда 2 под подшипники 3, насаженные на вал двигателя 4. На валу двигателя под каждым цилиндром установлены шестерни 5 с количеством зубьев, кратным четырем (например, число зубьев 24, модуль 2), копир 6, две направляющие втулки 7 и 8 и две распорные втулки 9 и 10. Давление газа на поршень 11 передается на поршневой палец 12, на верхнюю головку шатуна 13, шпильку 14, на одну из двух зубчатых реек 15 или 16 и на вращение шестерни 5 на валу двигателя. Внутренними поверхностями направляющие планки 17 на шатуне 13 скользят по направляющим втулкам 7 и 8, а боковыми поверхностями - по бортику на распорных втулках 9 и 10. На направляющей втулке 7 с двух сторон имеются пазы, в которых шарнирно установлены рычаги 18 и 19, подпружиненные пружиной 20 на оси 21. В верхней и нижней мертвых точках поршня подпружиненные рычаги 18 или 19 поочередно прижимаются упором 22, и от усилия сжатой пружины одна зубчатая рейка выходит из зацепления с шестерней 5, а вторая входит в зацепление. На зубчатых рейках 15 и 16 имеется бортик 23, который служит направляющими перемещения зубчатых реек по копиру 6. В верхней и нижней мертвых точках поршня торцевыми поверхностями 24 на бортиках 23 осуществляется ориентация перемещения зубчатых реек 15 и 16 относительно шестерни 5 по диаметрально проходящей плоскости 25, разделяющей копир 6 на два полукольца с разными радиусами по наружной поверхности. Четыре конца на направляющих планках на шатуне соединены воедино торцевой планкой 26.The mechanism for converting the reciprocating motion into rotation of the engine shaft is located in the crankcase of the cylinder block 1. In the transverse partitions of the crankcase there are split sockets 2 for bearings 3, mounted on the engine shaft 4. On the engine shaft, gears 5 with four teeth are installed under each cylinder (for example, the number of teeth 24, module 2), copier 6, two guide bushings 7 and 8 and two spacer sleeves 9 and 10. The gas pressure on the piston 11 is transmitted to the piston pin 12, to the upper head of the connecting rod 13, pin 14, to one from two gear racks 15 or 16 and the rotation of the gear 5 on the motor shaft. The inner surfaces of the guide bars 17 on the connecting rod 13 slide along the guide bushings 7 and 8, and the side surfaces on the side on the spacer bushes 9 and 10. On the guide bush 7 there are grooves on both sides in which the levers 18 and 19 are spring-loaded, spring-loaded 20 on the axis 21. At the upper and lower dead points of the piston, the spring-loaded levers 18 or 19 are alternately pressed by the stop 22, and from the force of the compressed spring one gear rack disengages from gear 5, and the second engages. On the gear racks 15 and 16 there is a bead 23, which serves as guides for moving the gear racks along the copy 6. In the upper and lower dead points of the piston by the end surfaces 24 on the sides 23, the movement of the gear racks 15 and 16 relative to the gear 5 is oriented along a diametrically passing plane 25, dividing the copier 6 into two half rings with different radii on the outer surface. The four ends on the guide bars on the connecting rod are connected together by the end plate 26.

Рассмотрим последовательность работы механизма с момента опускания поршня из верхней мертвой точки, положение которого показано на фиг.1, 3, 4, 5. Давление газа на поршень 11 передается через поршневой палец 12 на верхнюю головку шатуна 13, шпильку 14, зубчатую рейку 15 и на вращение шестерни 5 с валом двигателя 4. Бортик 23 на зубчатой рейке 15 начинает перемещаться по поверхности с меньшим радиусом на копире 6, а делительная прямая на зубчатой рейке 15 перемещается по касательной к делительной окружности на шестерне 5, сохраняя сцепление зубчатой рейки с шестерней. Бортик 23 на зубчатой рейке 16, перемещаясь во встречном направлении, скользит по поверхности с большим радиусом на копире 6, при этом вершина зубьев на зубчатой рейке 16, с конструктивно допустимым минимальным зазором, перемещается относительно вершин зубьев на шестерне 5. При перемещении шатуна вниз рычаг 18 сходит с упора 22 на зубчатой рейке 16, освобождая пружину 20 на оси 21. При дальнейшем перемещении шатуна 13 на рычаг 19 наезжает упор 22 на зубчатой рейке 15, сжимая пружину 20 на оси 21. Сила упругости пружины будет стремиться перевести зубчатые рейки 15 и 16 на противоположную сторону до тех пор, пока торцевая поверхность 24 на бортике 23 зубчатой рейки 16 и диаметрально проходящая плоскость 25 на копире 6 не совместятся и зуб на шестерне 5 не совместится с впадиной на зубчатой рейке 16. Такое расположение деталей возможно только в нижней мертвой точке поршня, когда верхняя головка шатуна 13 упрется в торец на направляющих втулках 7 и 8. От силы упругости пружины зубчатая рейка 15 выйдет из зацепления с шестерней 5, а зубчатая рейка 16 войдет в зацепление с шестерней 5. При их перемещении бортики 23 торцевой поверхностью 24 на зубчатых рейках 15 и 16 перекрываются плоскостью 25 на копире 6, сохраняя ориентацию. От рабочего хода в других цилиндрах вращение вала и шестерни 5 будет продолжено в том же направлении, и усилием крутящего момента на шестерне 5 зубчатые рейки 15 и 16 с шатуном 13 и поршнем 11 начинают перемещаться вверх и рычаг 19 освобождается от усилия пружины 20. Бортик 23 на зубчатой рейке 16 начинает перекатываться по поверхности с меньшим радиусом на копире 6, сохраняя сцепление зубчатой рейки 16 с шестерней 5, а бортик 23 на зубчатой рейке 15 скользит, перемещаясь во встречном направлении по поверхности с большим радиусом на копире 6. При дальнейшем перемещении шатуна 13 вверх на рычаг 18 наезжает упор 22 на зубчатой рейке 16, сжимая пружину 20 на оси 21. Сила упругости пружины будет стремиться перевести зубчатые рейки на противоположную сторону до тех пор, пока торцевая поверхность 24 на бортике 23 зубчатой рейки 15 и диаметрально проходящая плоскость 25 на копире 6 не совместятся и зуб на шестерне 5 не совместится с впадиной на зубчатой рейке 15. Такое расположение деталей возможно только в верхней мертвой точке поршня, когда торцевая планка 26 упрется в торец направляющим втулкам 7 и 8. Одновременно от силы упругости пружины 20 зубчатые рейки переместятся на противоположную сторону, и зубчатая рейка 16 выйдет из зацепления, а зубчатая рейка 15 войдет в зацепление с шестерней 5 на валу двигателя. Вал совершит поворот на 360°.Consider the sequence of operation of the mechanism from the moment of lowering the piston from the top dead center, the position of which is shown in Figs. 1, 3, 4, 5. The gas pressure on the piston 11 is transmitted through the piston pin 12 to the upper head of the connecting rod 13, pin 14, gear rack 15 and the rotation of the gear 5 with the motor shaft 4. The bead 23 on the gear rack 15 begins to move on the surface with a smaller radius on the copier 6, and the dividing line on the gear rack 15 moves tangentially to the pitch circle on the gear 5, while maintaining the adhesion of the gear rack with gear. The bead 23 on the gear rack 16, moving in the opposite direction, slides along the surface with a large radius on the copier 6, while the top of the teeth on the gear rack 16, with a design-acceptable minimum clearance, moves relative to the tops of the teeth on gear 5. When moving the rod down, the lever 18 comes off the stop 22 on the gear rack 16, releasing the spring 20 on the axis 21. With the further movement of the connecting rod 13, the stop 22 runs on the stop 22 on the gear rack 15, compressing the spring 20 on the axis 21. The spring force will tend to translate the gears ki 15 and 16 on the opposite side until the end surface 24 on the bead 23 of the gear rack 16 and the diametrically passing plane 25 on the copier 6 are not compatible and the tooth on the gear 5 is not compatible with the cavity on the gear rack 16. This arrangement of parts is only possible at the bottom dead center of the piston, when the upper head of the connecting rod 13 abuts against the end on the guide bushings 7 and 8. Due to the spring force, the gear rack 15 disengages from the gear 5, and the gear rack 16 engages with the gear 5. When they move the sides 23 t the front surface 24 on the gear racks 15 and 16 are overlapped by the plane 25 on the copier 6, while maintaining orientation. From the working stroke in other cylinders, the rotation of the shaft and gear 5 will continue in the same direction, and the torque on the gear 5, the gear racks 15 and 16 with the connecting rod 13 and the piston 11 begin to move up and the lever 19 is released from the spring force 20. Side 23 on gear rack 16 begins to roll over the surface with a smaller radius on the copier 6, while maintaining the adhesion of gear 16 with gear 5, and the bead 23 on gear rack 15 slides, moving in the opposite direction along the surface with a large radius on the copier 6. With further m moving the connecting rod 13 upward on the lever 18, the emphasis 22 runs on the gear rack 16, compressing the spring 20 on the axis 21. The spring force will tend to translate the gear racks on the opposite side until the end surface 24 on the bead 23 of the gear rack 15 and diametrically the passing plane 25 on the copier 6 will not be compatible and the tooth on the gear 5 will not be compatible with the cavity on the gear rack 15. Such an arrangement of parts is possible only at the top dead center of the piston when the end plate 26 abuts against the end of the guide bushings 7 and 8. Simultaneously However, due to the spring force 20, the gear racks will move to the opposite side, and the gear rack 16 will disengage, and the gear rack 15 will mesh with the gear 5 on the motor shaft. The shaft will rotate 360 °.

С применением механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное двумя подвижными зубчатыми рейками во время такта расширения усилие давления газов передается вдоль оси цилиндра и направлено по касательной к шестерне вала двигателя, придавая ему вращательное движение, что приводит до минимума механические потери энергии за счет отсутствия усилия прижима поршня к стенкам цилиндра, отсутствия радиального усилия направленного по радиусу кривошипа и за счет устранения потерь мощности, возникающих от влияния угла поворота коленчатого вала и от угла отклонения шатуна от оси цилиндра. Отсутствие в механизме дорогостоящего коленчатого вала и сопряженных деталей упрощает конструкцию двигателя.Using the mechanism for converting the reciprocating motion of the piston into rotary by two movable gear racks during the expansion stroke, the gas pressure force is transmitted along the cylinder axis and is tangential to the engine shaft gear, giving it rotational motion, which minimizes mechanical energy loss due to the absence of the pressure of the piston against the walls of the cylinder, the absence of radial forces directed along the radius of the crank and by eliminating power losses arising from the angle of rotation of the crankshaft and the angle of deviation of the connecting rod from the axis of the cylinder. The absence of an expensive crankshaft and associated parts in the mechanism simplifies the design of the engine.

Claims

The mechanism for converting a reciprocating motion of a piston into a rotary one by two movable gear racks on a connecting rod in an internal combustion engine consists of a cylinder block, a piston, a piston pin and a connecting rod, characterized in that gears are installed on the engine shaft under each cylinder, and a piston with a connecting rod and two movable racks mounted on opposite sides relative to the engine shaft, perform reciprocating motion along the axis of the cylinder and at the top and bottom dead center of the piston, in the butt river direction to the connecting rod moving axis, one gear rack disengages from the gear, and the second gear engages the gear on the motor shaft, while the orientation of the gear racks relative to the gear with the number of teeth multiple of four, and their support in a fixed position relative to gears are carried out by the copier on an engine shaft, and the piston stroke is limited by the emphasis on a rod.