RU2484255C1 - Rack-and-pinion piston machine - Google Patents
Rack-and-pinion piston machine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2484255C1 RU2484255C1 RU2011146192/06A RU2011146192A RU2484255C1 RU 2484255 C1 RU2484255 C1 RU 2484255C1 RU 2011146192/06 A RU2011146192/06 A RU 2011146192/06A RU 2011146192 A RU2011146192 A RU 2011146192A RU 2484255 C1 RU2484255 C1 RU 2484255C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gear
- rack
- piston
- pistons
- gears
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
- Transmission Devices (AREA)
- Shafts, Cranks, Connecting Bars, And Related Bearings (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое техническое решение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, производству компрессоров, насосов.The proposed technical solution relates to mechanical engineering, in particular to engine building, the production of compressors, pumps.
Поршневые машины применяются в качестве двигателей внутреннего сгорания, компрессоров или насосов.Piston machines are used as internal combustion engines, compressors or pumps.
Известно устройство - ДВС (двигатель внутреннего сгорания), основа которого представляет собой КШМ (кривошипно-шатунный механизм), преобразующий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала (Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. / В.П.Алексеев и др. - М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.).A device is known - ICE (internal combustion engine), the basis of which is a KShM (crank mechanism), which converts the reciprocating motion of the piston into rotational motion of the crankshaft (Internal combustion engines: Design and operation of piston and combined engines. / V.P. . Alekseev et al. - M.: Mechanical Engineering, 1990. - 288 p.).
Однако КШМ имеет существенные недостатки: сила от давления газов на поршень не в полной мере используется для вращения коленчатого вала, снижая КПД механизма и двигателя, в мертвых точках возникает «перекладка» поршня - изменение направления действия боковой силы, создающая динамические нагрузки. КШМ конструктивно сложен - имеет несколько нагруженных шарнирных соединений: коренные и шатунные шейки, опоры поршневого пальца, требующие совершенной системы смазки с подачей моторного масла под давлением. Для уравновешивания массы кривошипов необходимо устанавливать противовесы, нужен маховик, накапливающий энергию рабочего хода, обеспечивающий другие такты двигателя, а также прохождение поршня через мертвые точки.However, the crankshaft has significant drawbacks: the force from the gas pressure on the piston is not fully used to rotate the crankshaft, reducing the efficiency of the mechanism and the engine, “rearrangement” of the piston occurs at dead points — a change in the direction of the lateral force, which creates dynamic loads. KShM is structurally complex - it has several loaded swivel joints: main and connecting rod necks, piston pin bearings, requiring a perfect lubrication system with supply of motor oil under pressure. To balance the mass of cranks, it is necessary to install balances, you need a flywheel that accumulates the energy of the working stroke, providing other engine strokes, as well as the passage of the piston through the dead points.
Сила от давления газов на поршень раскладывается на две составляющие: одна по оси шатуна, другая создает боковую нагрузку на поршень, вызывающую потери энергии на трение и износ. Сила, действующая по оси шатуна на шатунную шейку, также раскладывается на две составляющие: одна нагружает коренные шейки, полезную нагрузку - крутящий момент на коленчатом валу создает только вторая составляющая силы, перпендикулярная кривошипу.The force from the gas pressure on the piston is decomposed into two components: one along the axis of the connecting rod, the other creates a lateral load on the piston, causing energy loss due to friction and wear. The force acting along the connecting rod axis on the crank pin also decomposes into two components: one loads the main necks, and the payload - the torque on the crankshaft creates only the second component of the force perpendicular to the crank.
Известны бесшатунные двигатели внутреннего сгорания без КШМ на основе авторского свидетельства №118471 (Баландин С.С. Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1972. - 176 с., рис.3-10 и др.). Бесшатунный механизм позволяет конструктивно просто осуществлять при малых габаритах и высокой быстроходности двигателей двусторонний рабочий процесс в цилиндрах и получать вследствие этого почти удвоенную литровую и габаритную мощность.Known rodless internal combustion engines without crankshaft based on copyright certificate No. 118471 (Balandin S.S. Rodless piston internal combustion engines. - M.: Mechanical Engineering, 1972. - 176 p., Fig. 3-10, etc.). The rod-free mechanism makes it possible to constructively carry out a two-sided working process in cylinders with small dimensions and high speed engines and to obtain almost double liter and overall power as a result.
Однако известный бесшатунный механизм имеет сложную кинематику. В ряде конструкций функции шатунов выполняют ползуны, но в любом случае остается коленчатый вал, который сложно изготовить, его коренные шейки нуждаются в смазке под давлением, между коленчатым и ведущим валами надо устанавливать зубчатые передачи (рис.12), усложняющие конструкцию двигателя.However, the known rodless mechanism has complex kinematics. In a number of designs, the function of the connecting rods is performed by the sliders, but in any case there remains a crankshaft, which is difficult to manufacture, its main necks need lubrication under pressure, gears must be installed between the crankshaft and drive shafts (Fig. 12), which complicate the engine design.
Известны реечные зубчатые механизмы, взаимосвязанные с поршнями. Первая в мире паровая трехколесная повозка Кюньо имела привод на переднее колесо от двух поршней паровых машин рейками, работающими поочередно. Один из первых двигателей Н.Отто имел вертикальный цилиндр, поршень которого рейкой взаимодействовал с зубчатым венцом вала отбора мощности через обгонную муфту.Known rack gears interconnected with pistons. The world’s first steam three-wheeled wagon, Kunho, was driven to the front wheel by two pistons of steam engines with racks working alternately. One of N. Otto’s first engines had a vertical cylinder, the piston of which interacted with the rack and pinion of the power take-off shaft through an overrunning clutch.
Однако эти машины и механизмы были несовершенны, имели невысокий КПД, низкую частоту вращения, а значит и невысокую мощность. Муфты свободного хода недолговечны, они не обеспечивают четкое срабатывание при высокой частоте вращения.However, these machines and mechanisms were imperfect, had a low efficiency, low rotational speed, and hence low power. Freewheels are short-lived, they do not provide a clear response at high speed.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является поршневая машина с шестеренно-реечным механизмом (Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. / В.П.Алексеев и др. - М.: Машиностроение, 1990. - С.262, рис.182, б).Closest to the proposed technical solution is a piston machine with a gear-rack mechanism (Internal combustion engines: Design and operation of piston and combined engines. / V.P. Alekseev et al. - M.: Mashinostroenie, 1990. - P.262, fig. .182, b).
Известно, что такая поршневая машина состоит из цилиндров, расположенных в них противоположно развернутых поршней с шарнирно установленной на каждом поршне зубчатой рейкой, зацепленной с шестерней, закрепленной на валу.It is known that such a piston machine consists of cylinders located in them oppositely deployed pistons with a gear rack pivotally mounted on each piston engaged with a gear fixed to the shaft.
Однако поршневая машина с таким механизмом имеет ограниченные возможности и шестеренно-реечный механизм применяют только как синхронизирующий на быстроходных генераторах газа.However, a piston machine with such a mechanism has limited capabilities and the gear-rack mechanism is used only as a synchronizing mechanism on high-speed gas generators.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, состоит в расширении возможностей поршневой машины с шестеренно-реечным механизмом.The problem to which the claimed technical solution is directed is to expand the capabilities of a piston machine with a gear-rack mechanism.
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что поршневая машина содержит картер с зафиксированными в нем цилиндрами, поршни с зубчатыми рейками, при этом поршни соединены двусторонними зубчатыми рейками, каждая зубчатая рейка редуктором взаимосвязана с коренным валом, редуктор состоит из двух блоков шестерен, опорами вращения установленных на осях, которые планкой закреплены на оси, закрепленной в крышке редуктора, на опоре вращения этой оси установлен корпус согласующей неполной полушестерни с внутренним зацеплением, зацепленной с наружными шестернями блоков, внутренние шестерни блоков зацеплены с двусторонней зубчатой рейкой, на корпусе согласующей неполной полушестерни закреплена шестерня, которая зацеплена с шестерней коренного вала, установленного на опорах вращения.The essence of the proposed device lies in the fact that the piston machine contains a crankcase with the cylinders fixed in it, pistons with gear racks, while the pistons are connected by two-sided gear racks, each gear rack is connected by a gearbox to the main shaft, the gearbox consists of two gear blocks, mounted rotation supports on the axes, which are fixed by a bar on an axis fixed in the gear cover, on the support of rotation of this axis there is a housing for matching an incomplete half gear with internal gearing, a hook connected with the external gears of the blocks, the internal gears of the blocks are engaged with a double-sided gear rack, a gear is fixed to the housing of the matching half-gear, which is engaged with the gear of the main shaft mounted on the rotation bearings.
Предлагаемое техническое решение существенно расширяет возможности поршневой машины, она обратима - позволяет использовать ее как быстроходный высокоэкономичный ДВС, а также как компрессор или насос, в том числе многоцилиндровый,The proposed technical solution significantly expands the capabilities of the piston machine, it is reversible - it can be used as a high-speed, high-speed internal combustion engine, as well as a compressor or pump, including a multi-cylinder,
На фиг.1 показана упрощенная схема шестеренно-реечной поршневой машины в состоянии, когда поршни находятся в крайнем левом положении: левый поршень в ВМТ (верхней мертвой точке), правый поршень в НМТ (нижней мертвой точке). На схеме не показаны газораспределительный механизм, системы охлаждения, смазки и др. На фиг.2 показан поперечный разрез шестеренно-реечной поршневой машины по осям расположения шестерен. Разрез упрощен - не показаны уплотнения, фиксация подшипников, осей и т.д.Figure 1 shows a simplified diagram of a gear rack piston machine in a state when the pistons are in the extreme left position: the left piston at TDC (top dead center), the right piston at BDC (bottom dead center). The gas distribution mechanism, cooling systems, lubrication systems, and others are not shown in the diagram. Figure 2 shows a cross-section of a gear-rack piston machine along the axes of gear arrangement. The section is simplified - seals, fixing bearings, axles, etc. are not shown.
В картере 1 со стенками 2 и крышками редуктора 3 зафиксированы цилиндры 4 с головками цилиндров 5 (см. фиг.2 и 1). В цилиндрах 4 установлены поршни 6 с компрессионными и маслосъемными поршневыми кольцами, соединенные двусторонними зубчатыми рейками 7. Рейки 7 зацеплены с внутренними шестернями 8 трубчатого вала 9 блока шестерен с наружными шестернями 10. Для удобства монтажа одна из шестерен 8 или 10 должна быть съемной с трубчатого вала 9 блока (разъем шестерни и трубчатого вала не показан). Трубчатые валы 9 блоков с шестернями 8 и 10 установлены на осях 11 с опорами вращения 12, например роликовые или игольчатые подшипники, они также установлены в опорах вращения 13 в стенках 2 картера. Оси 11 блоков шестерен зафиксированы соединительными планками 14, которые закреплены на осях 15, закрепленных в крышках 3 редуктора. На осях 15 на опорах вращения 16 установлены корпуса 17 согласующих неполных полушестерен 18 с внутренним зацеплением, у которых зубья нарезаны на дуге длиной не более половины длины окружности. На корпусе 17 закреплена шестерня 19, которая зацеплена с шестерней 20, закрепленной на коренном валу 21, установленном на опорах вращения 22 в крышках 3 редуктора.In the crankcase 1 with the
Предлагаемая шестеренно-реечная поршневая машина работает следующим образом.The proposed gear rack piston machine operates as follows.
1. Режим ДВС. На фиг.1 слева рабочий ход - сила от давления газов сгорающей рабочей смеси в левой части цилиндра 4 действует на левый поршень 6 и нижнее зацепление двусторонней зубчатой рейки 7, зубья которой взаимодействуют с зубьями нижней внутренней шестерни 8, заставляя ее, трубчатый вал 9 блока шестерен, наружную шестерню 10 вращаться по часовой стрелке. Наружная шестерня 10 приводит в движение согласующую неполную полушестерню 18 с внутренним зацеплением, у которых зубья нарезаны на дуге длиной не более половины длины окружности. В это время верхняя внутренняя шестерня 8 с трубчатым валом блока 9 и наружной шестерней 10 вращается вхолостую, так как на левом участке согласующей неполной полушестерни 18 нет зубьев. Крутящий момент от нижней наружной шестерни 10, согласующей неполной полушестерни 18, по ее корпусу 17, по шестерням 19 и 20 поступает на коренной вал 21. Коренной вал 21 передает энергию маховику (не показан), который обеспечивает привод исполнительных и вспомогательных механизмов, а также накапливает часть энергии для осуществления других тактов двигателя. Если двигатель четырехтактный, то в правой полости цилиндра 4 могут происходить или такт выпуска - вытеснения отработавших газов, или такт сжатия воздуха (дизели или бензиновые двигатели с непосредственным впрыском топлива) или сжатия рабочей смеси (карбюраторные или двигатели с централизованным или распределенным впрыском топлива во впускной коллектор). Когда правый поршень 6 достигнет ВМТ, то нижняя наружная шестерня 10 выходит из зацепления с внутренним зацеплением согласующей неполной полушестерни 18, а верхняя наружная шестерня 10 войдет в зацепление с согласующей неполной полушестерней 18 и изменит направление движения двусторонней зубчатой рейки 7.1. ICE mode. In Fig. 1, the left stroke is the force from the gas pressure of the burning working mixture in the left part of the cylinder 4 acts on the left piston 6 and the lower gear of the double-sided gear rack 7, the teeth of which interact with the teeth of the lower internal gear 8, forcing it, the tubular shaft 9 of the block gears, the
На фиг.2 показан поперечный разрез восьмипоршневой машины. Четыре редуктора от согласующих неполных полушестерен 18 обеспечивают привод двух шестерен 20 коренного вала 21. Получили компактную, прочную и жесткую конструкцию малой металлоемкости.Figure 2 shows a cross section of an eight-piston machine. Four gears from matching half-
2. Режим компрессора или насоса. Прикладывая крутящий момент к коренному валу 21, шестернями 20 приводим в движение шестерни 19 и по корпусу 17 согласующие неполные полушестерни 18. Если зубья полушестерни 18 войдут в зацепление с нижней наружной шестерней 10, то она трубчатым валом 9 блока шестерен вращает внутреннюю шестерню 8 и она перемещает двустороннюю зубчатую рейку 7 из левого положения в правое (см. фиг.1). В правой половине - для компрессора сжатие воздуха (газа) или для насоса вытеснение жидкости, в левой половине - впуск (всасывание) воздуха (газа) или наполнение жидкостью. При этом рейка 7 вращает верхнюю шестерню 8, трубчатый вал 9 блока шестерен и наружную шестерню 10, которая вращается вхолостую, не имея зацепления с согласующей неполной полушестерней 18. Когда согласующая неполная полушестерня 18 выходит из зацепления с нижней шестерней 10 и входит в зацепление с верхней шестерней, то усилие передается на верхний ряд зубьев рейки 7, которая перемещает поршни 6 из правого положения в левое. В левой половине - сжатие воздуха (газа) или вытеснение жидкости, в правой половине - впуск (всасывание) воздуха (газа) или наполнение жидкостью.2. Compressor or pump mode. Applying a torque to the main shaft 21, the
Шестеренно-реечная поршневая машина может быть как одноцилиндровая (однопоршневая), так и многоцилиндровая. Компоновка машины позволяет использовать один цилиндр для установки двух оппозитно расположенных поршней. В этом случае достаточно одного редуктора, а крутящий момент можно снимать с корпуса 17 согласующей неполной полушестерни 18, обеспечив выход вала этого корпуса через крышку 3 редуктора. Можно использовать отдельно половину машины, представленной на фиг.2, - оси 11 фиксируются не только соединительными планками 14, но и цилиндрами 8. Получим четырехпоршневую машину. Добавляя такие «половинки», можно получить 12-ти, 16-ти и т.д. поршневые машины. Увеличенный диаметр зубчатого зацепления полушестерни 18 обеспечивает значительный ход двусторонней зубчатой рейки 7 и поршней 6, получаем длинноходную поршневую машину.The gear rack piston machine can be either single-cylinder (single-piston) or multi-cylinder. The layout of the machine allows the use of one cylinder for the installation of two opposed pistons. In this case, one gearbox is sufficient, and the torque can be removed from the
Применение многоцилиндровых двигателей позволит получить ДВС большой мощности, при этом произойдет лучшее уравновешивание работы двигателя и потребуется маховик меньшей относительной массы. Многоцилиндровые многоступенчатые компрессоры с последовательным увеличением давления газа можно получить не только за счет количества шестерен и взаимосвязанных с ними зубчатых реек и поршней, но также путем установки ступенчатых поршней.The use of multi-cylinder engines will make it possible to obtain high-power internal combustion engines, while a better balancing of engine operation will occur and a flywheel of lower relative mass will be required. Multi-cylinder multi-stage compressors with a sequential increase in gas pressure can be obtained not only due to the number of gears and the interconnected gear racks and pistons, but also by installing step pistons.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011146192/06A RU2484255C1 (en) | 2011-11-14 | 2011-11-14 | Rack-and-pinion piston machine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011146192/06A RU2484255C1 (en) | 2011-11-14 | 2011-11-14 | Rack-and-pinion piston machine |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011146192A RU2011146192A (en) | 2013-05-20 |
RU2484255C1 true RU2484255C1 (en) | 2013-06-10 |
Family
ID=48785700
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011146192/06A RU2484255C1 (en) | 2011-11-14 | 2011-11-14 | Rack-and-pinion piston machine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2484255C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3868932A (en) * | 1972-07-21 | 1975-03-04 | Jozsef Toth | Reciprocating engine |
RU94031578A (en) * | 1994-08-29 | 1996-06-20 | Ленинградский сельскохозяйственный институт | Method of operation and design of internal combustion engine |
RU2078943C1 (en) * | 1994-04-15 | 1997-05-10 | Юрий Александрович Шурыгин | Axial engine |
US5673665A (en) * | 1995-11-11 | 1997-10-07 | Kia Motors Corporation | Engine with rack gear-type piston rod |
JP2008051059A (en) * | 2006-08-28 | 2008-03-06 | Mazda Motor Corp | Free-piston engine |
-
2011
- 2011-11-14 RU RU2011146192/06A patent/RU2484255C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3868932A (en) * | 1972-07-21 | 1975-03-04 | Jozsef Toth | Reciprocating engine |
RU2078943C1 (en) * | 1994-04-15 | 1997-05-10 | Юрий Александрович Шурыгин | Axial engine |
RU94031578A (en) * | 1994-08-29 | 1996-06-20 | Ленинградский сельскохозяйственный институт | Method of operation and design of internal combustion engine |
US5673665A (en) * | 1995-11-11 | 1997-10-07 | Kia Motors Corporation | Engine with rack gear-type piston rod |
JP2008051059A (en) * | 2006-08-28 | 2008-03-06 | Mazda Motor Corp | Free-piston engine |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2011146192A (en) | 2013-05-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2772612B1 (en) | Compressed air engine assembly with compressed air supplement circuit | |
CN102434279A (en) | Combustion engine without crank shaft connection rod | |
AU2012101940A4 (en) | Two-stroke air-powered engine assembly | |
CN201025125Y (en) | Dual-side rack drive fuel engine | |
CN101205812A (en) | Four-piston cylinder engine | |
CN201581990U (en) | Four-cylinder offset gear rack engine | |
US20130118175A1 (en) | Piston engine drivable using a steam power process | |
RU2484255C1 (en) | Rack-and-pinion piston machine | |
CN1164860C (en) | High-efficient engine | |
CN210264918U (en) | Four-stroke in-line crankless internal combustion engine | |
WO2015127689A1 (en) | Piston engine | |
RU2483216C1 (en) | Semigear-and-rack piston machine | |
RU2375595C1 (en) | Asynchronous toothed converter of reciprocation into rotation and vice versa, front and rear crank pairs, idle gear and its anvil gear wheel | |
RU184024U1 (en) | Gas piston internal combustion engine for heating and ventilation of buildings | |
RU2440500C2 (en) | Single-cycle recovery engine | |
RU2530982C1 (en) | Opposite piston machine | |
RU218640U1 (en) | ENERGY MACHINE | |
RU2509214C1 (en) | Rack and tooth piston machine with switching of compression stage and disconnection of pistons | |
RU117507U1 (en) | "NORMAS-MX-02" INTERNAL COMBUSTION ENGINE | |
RU154269U1 (en) | COLORLESS PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE | |
RU131086U1 (en) | PISTON ENGINE | |
CN2467802Y (en) | Two-piston one cylinder internal combustion engine for vehicle use | |
RU28512U1 (en) | INTERNAL COMBUSTION ENGINE | |
CN106050410A (en) | Impinging piston engine | |
RU2504674C1 (en) | Two-stroke diesel engine |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151115 |