SI22305A - Mehanizem za spreminjanje premočrtnega gibanja delovnih batov v rotacijsko gibanje pogonske gredi in obratno s pomočjo nihajne plošče - Google Patents

Abstract

Mehanizem (100), (200) in (300) za spreminjanje premočrtnega gibanja batov v rotacijsko gibanje pogonske gredi in obratno, variabilnim kompresijskimrazmerjem in variabilnim delovnim volumnom ter krmiljenjem sesalnih in izpušnih ventilov z nihajnoploščo (21), sestoječ iz glavne pogonske gredi(1), nihajne plošče (6), ročic (11), delovnih batov (2) z batnicami (3), potisnih obročev (5) in (7), drsnika (4), ročice (15), sornika (18), odmične plošče (21) z odmičnimi elementi (22), (22'), (23), (23'), pri čemer je potisni obroč (5) namenjen spremembi delovnega volumna, potisni obroč (7) pa spremembi kompresijskega razmerja.

Description

MEHANIZEM ZA SPREMINJANJE PREMOČRTNEGA GIBANJA DELOVNIH BATOV V ROTACIJSKO GIBANJE POGONSKE GREDI IN OBRATNO S POMOČJO NIHAJNE PLOŠČE

Predmet izuma

Izum se nanaša na mehanizem za spreminjanje premočrtnega gibanja delovnih batov v rotacijsko gibanje pogonske gredi in obratno s pomočjo nihajne plošče, pri katerem je mogoče variabilno spreminjati kompresijsko razmerje in variabilno spreminjati hode delovnih batov, primeren za motorje z notranjim izgorevanjem, batne črpalke ali batne kompresorje.

Stanje tehnike

Znane so rešitve rotacijskih motorjev pri katerih so osi delovnih batov razporejene vzporedno glavni osi pogonske gredi motorja, pri katerih se uporablja mehanizem z nihajno ploščo.

Tako je v US 4,505,187 (Aagona) prikazana rešitev, kjer se nasproti delujoča delovna bata nahajata na skupni togi batnici, ki je vzporedna osi glavne pogonske osi. Skupna batnica batov je z nihajno ploščo povezana preko sornika, ki je radialno razporejen na obodu nihajne plošče. Sornik je vrtljivo in drsno uležajen v puši, katere os je pravokotna na skupno batnico. Ker je število nasproti delujočih delovnih batov lahko le parno, ima posamezna nihajna plošča diametralno nasprotno razporejeno še eno enoto nasproti delujočih delovnih batov. Vsaka nadaljnja dvojica nasproti delujočih delovnih batov zahteva novo nihajno ploščo. S tem se povečuje dolžina batnic posameznih nasproti delujočih delovnih batov, zlasti pa se povečuje masa celotnega mehanizma, z njo pa tudi robustnost motorja. Zaradi velike skupne mase mehanizma se močno poslabšajo dinamične lastnosti mehanizma s tem pa zlasti lastnosti motorja kot takega. Pri večjem številu delovnih batov in s tem večjem številu nihajnih plošč, se dolžine batnic posameznih nasproti delujočih delovnih batov podaljšujejo tako, da dolžine med sornikom in bati niso enake, kar ima za posledico bistven vpliv na dinamiko in togost motorja ter povečanju geometrije sestavnih delov in cene mehanizma.

V US 6,003,480 je prikazan rotacijski motor z eno nihajno ploščo, na katero so preko batnic pritrjeni trije pari delovnih batov, katerih osi so vzporedne z glavno pogonsko gredjo motorja vendar so medsebojno vzporedno zamaknjene. Batnice, ki med obratovanjem motorja opletajo, so z nihajno ploščo povezane preko sferičnih sklepov, kar zmanjšuje kompaktnost motorja.

V US 4,077,269 je prikazan rotacijski motor z eno nihajno ploščo, na katero je preko batnic povezanih sedem batov. Mehanizem batnega motorja je takšen, da je z ustreznim ročičnim mehanizmom med obratovanjem motorja sposoben spreminjati delovni volumen, kakor tudi kompresijsko razmerje. Motor nima sposobnosti spreminjanja kompresijskega razmerja pri konstantnem delovnem volumnu, kar je pomembno za dosego maksimalnega termodinamičnega izkoristka. Motor je prav tako robustne izvedbe z velikim številom sestavnih delov.

Skupna slabost omenjenih rešitev je veliko število sestavnih delov, od katerih vsak prispeva k povečanju mase mehanizma zlasti dinamičnih delov mehanizma. Velike dinamične mase negativno vplivajo na delovanje motorja, zlasti pa poslabšujejo njegove lastnosti. K povečanju dinamičnih mas prispevajo tudi relativno velike dimenzije delovnih batov, zlasti njihove višine, ki so potrebne zaradi boljšega vodenja batov v valjih. To pa posledično vodi k večjim silam trenja med površino valja in bata in s tem do velike obrabe in slabših lastnosti motorja. Problem predstavlja tudi veliko število različnih sestavnih delov, ki so potrebni za delovanje motorja, kar predstavlja problem zlasti z vidika proizvodnje in izdelave takih motorjev ter prispeva k povečanju stroškov izdelave takega motorja. Poleg omenjenih slabosti nobena od rešitev ne ponuja spreminjanje delovnega volumna in kompresijskega razmerja oziroma je takšno spreminjanje zelo nefleksibilno, zaradi česar z znanimi mehanizmi ni mogoče izdelati ekonomičnega motorja z veliko močjo in majhno delovno prostornino ter majhnimi dinamičnimi masami.

Tehnični problem

Tehnični problem, ki ga rešuje izum, je kako zasnovati tak mehanizem za variabilno spreminjanje kompresijskega razmerja in variabilno spreminjanje dolžine premočrtnega gibanja v rotacijsko gibanje z nihajno ploščo in delovnimi bati, katerih osi so vzporedne z osjo pogonske gredi motorja, in ga vgraditi v rotacijski motor tako, da bo obsegal čimmanj še število in čimmanj še gibajoče se sestavne dele majhnih geometrijskih mer in s tem majhne dinamične mase, s čemer se bodo preprečile nezaželene vibracije, vztrajnostne sile in notranje izgube pa se bodo zmanjšale na minimum, pri čemer bodo posamezni sestavni elementi zasnovani enotno, neodvisno od števila in vrste delovnih batov v mehanizmu, kar bo znatno prispevalo k poenostavitvi izdelave in s tem znižanju stroškov proizvodnje.

Rešitev tehničnega problema

Navedeni tehnični problem je rešen z mehanizmom za variabilno spreminjanje kompresijskega razmerja in variabilno spreminjanje dolžine premočrtnega gibanja delovnih batov v rotacijsko gibanje pogonske gredi z nihajno ploščo po izumu, za katerega je značilno, da lahko tak motor doseže moči motorjev z bistveno večjim delovnim volumnom, višji izkoristek in predvsem manjše mase dinamičnih elementov ter splošno zelo dobre lastnosti motorja.

Na glavni pogonski gredi s sferičnim elementom, ki je z njo oblikosklepno povezan ali nanjo togo pritrjen, je preko sornika, katerega os seka os pogonske gredi, nameščen valjasti element, ki lahko niha okrog osi sornika. Na valjasti element je preko radialnih in aksialnih ležajev nameščena nihajna plošča z ročicami ter na ročice preko ustreznih sklepov batnice z bati, ki so lahko enostransko ali dvostransko delujoči. Nihajna plošča, sklepi, batnice in bati so znanih oblik.

Pri motorjih s spremenljivim kompresijskim razmerjem dosežemo bistveno višji izkoristka motorja, poleg tega pa tudi lastnosti motorja (moč, navor), ki veljajo za motorje z večjim delovnim volumnom. Pri majhnih obremenitvah in obratovanju motorja v prostem teku je pomembno, da je delovni volumen majhen, kompresijsko razmerje pa veliko in odvisno od trenutnih obratovalnih pogojev motorja. Nasprotno mora biti pri višjih obremenitvah delovni volumen večji, kompresijsko razmerje pa tako veliko, da ne pride do detonacije. Pomembno je torej, da je mehanizem motorja med obratovanjem sposoben spreminjati hod batov, s tem pa tudi delovni volumen, prav tako pa mora biti pri določenem delovnem volumnu omogočeno spreminjati kompresijsko razmerje. Torej morata biti spremembi delovnega volumna in kompresijskega razmerja neodvisni druga od druge. Na ta način dosežemo lastnosti motorja, ki veljajo za motorje z večjim delovnim volumnom in večjimi dinamičnimi masami od dejanskega.

Sprememba kompresijskega razmerja pri motorjih z nihajno ploščo je zasnovana tako, da ustrezen mehanizem pogonsko gred skupaj s celotnim mehanizmom z nihajno ploščo premakne za ustrezno vrednost v smeri svoje osi. Tako se za ustrezno vrednost premaknejo v smeri svoje osi tudi delovni bati, kar pri obratovanju motorja povzroči povečanje ali zmanjšanje kompresijskega razmerja; odvisno od tega, v kateri smeri se pogonska gred premakne. Premik pogonske gredi je mogoče izvesti z že znanimi mehanizmi. Pogonska gred mora biti na enem ali obeh koncih oblikovana tako, da lahko v veznih elementih opravlja relativno translacijsko gibanje vzdolž njene središčne osi. Vezna elementa imata s pogonsko gredjo isto središčno os in sta vrtljivo nameščena v ohišju motorja ter povezujeta pogonsko gred z menjalnikom in pogonsko gred z zobnikom, ki se uporablja za pogon odmične plošče.

Delovni volumen motorjev z notranjim zgorevanjem je določen s površino bata, njegovim hodom in številom delovnih valjev. Hod bata se pri batnih motorjih z nihajno ploščo spreminja v odvisnosti od kota med središčno osjo pogonske gredi in središčno osjo nihajne plošče. Kot med središčnima osema pogonske gredi in nihajne plošče je mogoče spreminjati s pomočjo drsnika, kije koncentrično drsno nameščen na pogonski gredi in skupaj z ročico, ušesi in valjastim elementom predstavlja ročični mehanizem. Ročični mehanizem mora biti takšen, daje sposoben pretvarjati translacij sko gibanje drsnika preko ročic v rotacijsko gibanje valjastega elementa okrog osi somika, ki se nahaja v sferičnem elementu. Pri spremembi delovnega volumna se hkrati spremeni tudi kompresijsko razmerje, zato se mora istočasno celoten mehanizem skupaj s pogonsko gredjo pomakniti za ustrezno vrednost v ustrezni smeri osi pogonske gredi, kar se opravi z mehanizmom, ki je v motorju že nameščen z namenom spreminjanja kompresijskega razmerja.

Zmanjšanje dinamičnih mas se pri motorjih z nihajno ploščo doseže tudi z namestitvijo t.i. odmične plošče, katere funkcijo običajno opravlja odmična gred. V primeru uporabe odmične plošče se za krmiljenje sesalnih in izpušnih ventilov uporabljajo odmični elementi, ki so z odmično ploščo togo povezani ali izdelani skupaj z njo. Ker se posamezen odmični element uporablja za odpiranje ventilov na vseh valjih, rešitev zmanjšuje dinamične mase, hkrati pa je lega odmičnih elementov na odmični plošči takšna, da se vibracije zaradi ekscentričnosti mas popolnoma izničijo. Razmerje med vrtilno hitrostjo pogonske gredi in odmično ploščo je lahko 4, ne glede na število valjev. Seveda pa je razmerje vrtilne hitrosti in smer vrtenja odmične plošče lahko tudi drugačno; odvisno od izvedbe motorja.

Izum je v nadaljevanju podrobneje opisan na osnovi izvedbenega primera, na katerega pa se ne omejujemo, in predstavljen na priloženih skicah, ki kažejo:

Sl. 1 Mehanizem za spreminjanje premočrtnega gibanja v rotacijsko gibanje z nihajno ploščo z variabilnim kompresijskim razmerjem in variabilnim delovnim volumnom po izumu (pogled od spodaj),

Sl. 2 Mehanizem za spreminjanje premočrtnega gibanja v rotacijsko gibanje z nihajno ploščo z variabilnim kompresijskim razmerjem in variabilnim delovnim volumnom po izumu (pogled od zgoraj),

Sl. 3 Lego somika v sferičnem elementu in položaje potisnih obročev,

Sl. 4 Ročični mehanizem,

Sl. 5 Vez med glavno gredjo in veznim elementom, na katerem je nameščen zobnik za pogon odmične plošče,

Sl. 6 Odmično ploščo z zobnikom z notranjim ozobljenjem.

Mehanizem (100) za spreminjanje premočrtnega gibanja delovnih batov v rotacijsko gibanje pogonske gredi, pri čemer so osi delovnih batov 2 razporejene vzporedno glede na glavno pogonsko gred motorja 1, sestoji iz glavne pogonske gredi 1, nihajne plošče 6, ročic 11, delovnih batov 2 z batnicami 3 in ležajnih sornikov 12.

Mehanizem (200) za spreminjanje delovnega volumna motorja in kompresijskega razmerja sestoji iz drsnika z ušesi 4, potisnega obroča 5, potisnega obroča 7, aksialnih ležajev 8 in 8', aksialnih ležajev 9 in 9', segerjevega obroča 10, segerjevih obročev 13 in 13', rotacijskih sklepov 14 in 14', ročice 15, valjastega elementa z ušesi 16 in 16', sferičnega elementa 17, somika 18, veznega elementa 19 ter ležajev 20 in 20'.

Mehanizem (300) za odpiranje sesalnih in izpušnih ventilov sestoji iz odmične plošče 21 z odmičnimi elementi 22, 22', 23 in 23', pogonskega zobnika z zunanjim ozobjem 24, odgonskega zobnika z notranjim ozobjem 27, zobnikov 25 in 26 ter veznega elementa 28.

Glavna pogonska gred 1 s sferičnim elementom 17, ki je z gredjo oblikosklepno povezan ali nanjo togo pritrjen, jev veznih elementih 19 in 28 nameščena koncentrično tako, da se lahko vrti skupaj z njima, poleg rotacije pa so med gredjo 1 in veznima elementoma 19 in 28 možni relativni pomiki gredi 1 vzdolž njene središčne osi. Vezna elementa 19 in 28 sta v ohišju motorja 29 in/ali glavi 30 nameščena rotirajoče tako, da se lahko vrtita okrog njunih središčnih osi. Relativni pomiki med ohišjem 29, glavo 30 ter veznima elementoma 19 in 28 so preprečeni.

Valjasti element, sestavljen iz dveh, med seboj togo povezanih delov 16 in 16', je na sferičnem elementu 17 nameščen tako, da lahko rotira okrog osi somika 18, ki je nameščen skozi sferični element 17. Os somika 18 in os glavne gredi 1 se sekata v središčni točki sferičnega elementa 17.

Drsnik 4 je na pogonski gredi 1 nameščen koncentrično tako, da lahko drsi vzdolž njene središčne osi. Drsniku 4 je na gredi 1 po potrebi lahko preprečena rotacija okrog gredi 1, kar pa ni nujno potrebno. Drsnik 4 je z delom valjastega elementa 16 povezan preko ročice 15. Drsnik 4 in ročica 15 ter ročica 15 in del valjastega elementa 16 so med seboj povezani z rotacijskima sklepoma 14 in 14'. Pomik drsnika 4 vzdolž gredi 1 se izvaja s potisnim obročem 5, ki je na drsnik 4 nameščen z rotacijskim sklepom. Pri obratovanju se drsnik 4 vrti okrog svoje osi skupaj z gredjo 1, potisni obroč 5, s koncentrično lego glede na gred 1, pa se premika vzdolž gredi 1. Pri tem se radialne sile, ki nastopajo med drsnikom 4 in obročem 5 prenašajo preko radialnega ležaja, ki je nameščen koncentrično med njima (ni prikazano), aksialne sile pa preko ležajev 9 in 9'. V izvedbenem primem je medsebojna lega potisnega obroča 5 ter ležajev 9 in 9' zavarovana na eni strani s segerjevim obročem 10, na drugi pa z geometrijo drsnika 4. Translacijski pomiki obroča 5 se izvajajo z že znanimi mehanizmi (ni prikazano). Zasuk nihajne plošče 6 je mogoče izvesti tudi z zobnikom in zobato letvijo, pri čemer mora biti zobnik nameščen koncentrično s somikom 18 in nepomično z valjastim elementom 16, 16'. Zobata letev, ki se giblje v smeri osi pogonske gredi 1 in se vrti skupaj z njo, je gnana s potisnim obročem 5.

Premik gredi 1 skupaj z mehanizmoma (100) in (200) se izvaja s potisnim obročem 7, ki je na gred 1 nameščen tako, da skupaj tvorita rotacijski sklep, vsakršni relativni pomiki med njima pa se preprečeni. Radialne sile, ki se pojavijo med gredjo 1 in potisnim obročem 7 se prenašajo preko radialnega ležaja, ki se nahaja koncentrično med njima (ni prikazano). Aksialne sile med gredjo 1 in potisnim obročem 7 se prenašajo z ležajema 8 in 8'. Pomiki med gredjo 1 in potisnim obročem 7 vzdolž središčne osi gredi 1 so v izvedbenem primeru preprečeni s segerjevima obročema 13 in 13'. Translacijski pomiki obroča 7 se izvajajo z že znanimi mehanizmi (ni prikazano).

Pri premiku potisnega obroča 5 vzdolž gredi 1 se za enako vrednost v isto smer pomakne tudi drsnik 4. Drsnik 4 preko rotacijskih sklepov 14 in 14' ter ročice 15 zavrti valjasti element 16 in 16' okrog osi sornika 18. Pri tem se spremeni kot med osjo gredi 1 in osjo nihajne plošče 6, kar posledično povzroči spremembo velikosti hodov posameznih batov 2 in s tem velikost delovnega volumna. Ker se pri takšni spremembi delovnega volumna hkrati spreminja tudi kompresijsko razmerje, je potrebno skladno s tem gibanjem premakniti potisni obroč 7 skupaj z mehanizmoma (100) in (200) v ustrezni smeri vzdolž središčne osi gredi 1 za ustrezno vrednost. Pri konstantnem delovnem volumnu se kompresijsko razmerje spreminja tako, da se skupaj s potisnim obročem 7 premakneta celotna mehanizma (100) in (200). Relativno gibanje potisnih obročev 5 in 7 je odvisno od trenutnih obratovalnih razmer, zato morata imeti vsak svoj izvor sile za vzdolžne pomike, tako da se lahko pomikata neodvisno drug od drugega, oz. sta lahko v posebnih primerih mehansko povezana tako, da se ob spremembi delovnega volumna ustrezno spremeni tudi kompresijsko razmerje.

Odmična plošča 21 je v motorju uležajena (ni prikazano) koncentrično z ozirom na glavno gred 1 in se lahko vrti samo okrog svoje osi. Vsi pomiki odmične plošče 21 so onemogočeni. Pogon odmične plošče 21 se izvaja z zobnikom 24, ki je na vezni element 28 togo pritrjen ali izdelan skupaj z njim. Vezni element 28 je uležajen z dvema ležajema 32 in 32', katerima so relativni pomiki onemogočeni s segerjevim obročem 31 v glavi 30 in segerjevim obročem 33 na veznem elementu 28. Pogonski moment na odmično ploščo se prenaša od zobnika 24 preko zobnikov 25, 26 in 27. Zobnik 27 je z odmično ploščo 21 togo povezan ali izdelan skupaj z njo. Nihajna plošča 21 ima na čelni strani nepomično pritrjene ali izdelane skupaj z njo odmične elemente 22, 22', 23 in 23', namenjene odpiranju sesalnih in izpušnih ventilov. V izvedbenem primeru se na odmični plošči 21 nahajata dva kompleta odmičnih elementov, od katerih vsak odmični element na vsakokratnem delovnem valju opravlja enako funkcijo, kar dodatno zmanjšuje dinamične mase. Namestitev odmičnih elementov je takšna, da med obratovanjem ne povzročajo nikakršnih vibracij. Razmerje med vrtilno hitrostjo pogonske gredi 1 in vrtilno hitrostjo odmične plošče 21 je v izvedbenem primeru štiri.

Zgoraj opisani mehanizem z nihajno ploščo, ki je sestavni del motorja z notranjim izgorevanjem, omogoča dobre lastnosti in velike izkoristke motorjev. Prednost opisanega mehanizma jev majhnem številu in enostavnosti sestavnih delov, pri čemer je njihova oblika zelo poenotena in ni odvisna od števila delovnih batov v motorju. Število delovnih batov je poljubno. Zaradi navedenih lastnosti je enostavna tudi izdelava in proizvodnja takih mehanizmov.

Razumljivo je, da lahko strokovnjak s tega področja na osnovi poznavanja opisa izuma izvede tudi drugačne posamezne izvedbene spremembe, ne da bi obšel bistvo izuma, kot je opredeljeno v sledečih patentnih zahtevkih.

Claims (7)

1. Patentni zahtevki

   1. Mehanizem (200) za spreminjanje kompresijskega razmerja in spreminjanje hodov batov in s tem delovne prostornine motorja, sestoječ iz potisnih obročev z ušesi (5) in (7), aksialnih ležajev (8), (8'), (9) in (9'), drsnika z ušesi (4), rotacijskih sklepov (14) in (14'), ročice (15), dela valjastega elementa (16), sferičnega elementa (17), somika (18), značilen po tem, da je potisni obroč (5) nameščen koncentrično vrtljivo na drsnik (4) ter daje drsnik (4) nameščen na gredi (1) koncentrično drsno tako, da lahko drsi vzdolž njene osi, vsi ostali pomiki med njima pa so onemogočeni.
2. 2. Mehanizem po zahtevku 1, značilen po tem, da je potisni obroč (7) nameščen koncentrično vrtljivo na pogonsko gred (1) in da se s pomikom potisnega obroča (7) vzdolž njegove osi za isto vrednost premakne tudi gred (1) skupaj z mehanizmoma (100) in (200).
3. 3. Mehanizem po zahtevku 1, značilen po tem, da se pri premiku potisnega obroča (5) , skupaj z drsnikom (4) preko ročice (15) in rotacijskih sklepov (14) in (14'), valjasti element (16) in (16') skupaj z nihajno ploščo (6) zavrtijo okrog somika (18) za ustrezen kot.
4. 4. Mehanizem po zahtevku 1, značilen po tem, da je izvedba zasuka nihajne plošče (6) izvedena z zobnikom, kije togo povezan z valjastim elementom (16) in (16') in ima koncentrično lego s somikom (18) ter se vrti skupaj z valjastim elementom (16) in (16'), pogonska zobata letev zobnika, ki se vrti skupaj s pogonsko gredjo (1), pa je gnana s potisnim obročem (5).
5. 5. Mehanizem po zahtevku 1, značilen po tem, da je pogonska gred (1) na vsakokratnem koncu izdelana utomo in nameščena v veznih elementih (19) in (28) tako, da se vrti skupaj z njima ter z njima opravlja relativno gibanje vzdolž njene osi, pri čemer vezna elementa (19) in (28) v ohišju motorja (29) in glavi motorja (30) rotirata okrog svoje vzdolžne osi, kakršni koli dodatni pomiki med njimi pa so preprečeni.
6. 6. Mehanizem (300) za krmiljenje sesalnih in izpušnih ventilov motorja, sestoječ iz odmične plošče (21) odmičnih elementov (22), (22'), (23), (23'), zobnika z notranjim ozobljenjem (27), pogonskega zobnika (24), veznega elementa (28) ter zobnikov (25) in (26), značilen po tem, da so vezni element (28), zobnik (24), zobnik (27) in odmična plošča (21) nameščeni v motorju koncentrično.
7. 7. Mehanizem po zahtevku 6, značilen po tem, da pogonski zobnik (24), ki se vrti skupaj z gredjo (1), poganja odmično ploščo (21) preko zobnikov (25) in (26) v razmerju 1:4, pri čemer odmična plošča (21) pri rotaciji okrog svoje osi z odmičnimi elementi (22), (22'), (23) in (23') krmili sesalne in izpušne ventile motorja.