WO2010043231A1

WO2010043231A1 - Rack and pinion motor

Info

Publication number: WO2010043231A1
Application number: PCT/EC2008/000008
Authority: WO
Inventors: Jorge Vicente LÓPEZ
Original assignee: Lopez Jorge Vicente
Priority date: 2008-10-14
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2010-04-22

Abstract

El objeto de la invención es aumentar la eficiencia de los motores, mediante un mecanismo que elimina la componente horizontal de la fuerza que se produce en la transmisión del movimiento del pistón al cigüeñal a traves de la biela. La invención se basa en el principio de transmisión de movimiento de un piñón y una cremallera, sustituyendo a la biela y cigüeñal tradicionales. Posee un dispositivo de Pin y Cam, que evita un movimiento libre en el instante en que se produce el cambio de movimiento ascendente a descendente (y viceversa) del conjunto de pistones cremalleras. Con este antecedente la invención propone 2 sistemas que consisten en: 1.- Conjunto de 2 pistones, 2 cremalleras y un piñón dentado de 90° a 108° aproximadamente. 2.- Conjunto de 2 pistones, 1 cremallera dentada a los dos lados y 2 piñones dentados de 90° a 180° aproximadamente. Cada alternativa consta de un dispositivo de Pin y Cam.

Description

Descripción

RACK and PINION MOTOR

Sector técnico

[ 1 ] Automotriz e Industrial

Técnica anterior

[2] Actualmente toda la industria utiliza el mecanismo de biela y cigüeñal, para transformar el movimiento lineal de un pistón, en movimiento circular (giratorio). Por lo tanto no existen antecedentes de la aplicación propuesta en esta patente. Problema técnico

[3] Los motores de combustión interna, (motores a explosión), son los más usuales en los automóviles y sirven para producir fuerza, la cual permite el movimiento del automóvil.

[4] Los motores se encuentran constituidos por un sin número de partes, de entre las cuales se destaca el cigüeñal. Este elemento tiene la característica de trasformar el movimiento lineal de los pistones en un movimiento giratorio.

[5] Problema Planteado

[6] En un motor de combustión interna, la generación de la energía proviene de la explosión de la mezcla aire combustible en una pequeña cámara de combustión.

[7] La explosión producida en esta cámara genera una aceleración de los pistones (P) de forma descendente, los mismos que transmiten una fuerza a través de la biela (B) al cigüeñal (C) y así, se produce el movimiento giratorio de este elemento. Figura No. 1

[8] Un breve análisis de fuerzas en el cigüeñal, nos permite observar que mientras las muñcquillas comienzan a realizar su desplazamiento giratorio, la fuerza generada comienza a descomponerse en sus componentes vertical y horizontal. La descomposición de la fuerza, reduce la fuerza efectiva que se trasmite del pistón al cigüeñal.

[9] Realizando un esquema (Figura No. 2) de la fuerza que se genera en el instante en que se produce la explosión, se tiene que la fuerza F es máxima cuando el pistón se encuentra en el punto máximo superior (PMS), quedando totalmente perpendicular, pero a medida que se desplaza el pistón y consecuentemente el cigüeñal rota, la fuerza se descompone vectorialmente en una fuerza vertical (Fv) y una fuerza horizontal (Fh), como se indica en la Figura No. 3 Mientras más alejado está el pistón del PMS, más grande es la componente horizontal.

[10] El fraccionamiento de la fuerza produce una reducción en la fuerza real trasmitida al elemento giratorio (cigüeñal). Parte de la energía total generada, utilizada por la componente de la fuerza horizontal, es desperdiciada por la fricción entre los anillos de compresión y la pared del cilindro, por ende, un consumo de energía inadecuado el cual puede ser mejor aprovechado.

[I I ] Entonces el problema a resolver se establece como: la eliminación del fraccionamiento de la fuerza al momento de su transmisión desde el pistón al elemento giratorio, para reducir la fricción de los anillos de compresión del pistón con la pared del cilindro, que genera la componente de la fuerza horizontal. Solución técnica [12] Solución del Problema

[13] La solución más obvia sería conseguir que toda la fuerza ejercida por el pistón, este siempre perpendicular al cigüeñal. Eliminando así la componente horizontal que produce el mecanismo de biela y cigüeñal.

[14] Esto se puede conseguir fácilmente utilizando una combinación de un piñón (G) y una cremallera (R) como se indica en la Figura No. 4a

[15] Este sencillo mecanismo permite transformar el movimiento lineal en un rotacional o viceversa, eliminando el acostumbrado dispositivo biela y cigüeñal utilizado para

[16] En la Figura 4b se aprecia la aplicación de la cremallera (R) al pistón (P) y del

Piñón (G) al cigüeñal (C)

[17] El gran inconveniente con este mecanismo es ¿Cómo hacer que regrese el pistón a su posición de origen? O sea al punto máximo superior.

[18] Proponemos 2 soluciones:

[19] Primera: Un sistema constituido por dos pistones (Pu) y (Pd) enfrentados a 180° y unidos por dos cremalleras (Re) y (Rr) , paralelas entre sí. Y en medio de las dos cremalleras (Re) y (Rr) un piñón (G) de 180° que se engranará alternadamente a la cremallera (Re) y (Rr) como se indica en la Figura No. 5

[20] En un primer momento cuando el pistón (Pu) está en su punto máximo superior, el pistón (Pd) estará en su punto máximo inferior. Si suponemos que el pistón (Pu) recibe la explosión de la mezcla, este comenzará a desplazarse hacia abajo y por medio de la cremallera (Re) hará girar el piñón (G). Figuras No. 5a y 5b

[21 ] En un segundo momento cuando el pistón (Pu) ha llegado a su punto máximo inferior, el pistón (Pd) estará en su punto máximo superior, y el piñón (G) habrá girado soltando la cremallera (Re) y engranándose a la cremallera (Rr). Figuras No. 5c y 5d. Si tomamos en cuenta que (NC) es el nivel del cigüeñal o la posición del cigüeñal en el motor, que en este caso es un eje recto sin codos, comprenderemos mejor el movimiento del los pistones.

[22] Si el piñón fuera de 180° habría un momento en que estaría engranado a las dos cremalleras, trabando así todo el sistema. Para evitarnos este inconveniente, experi- mentalmente se comprobó que el piñón no puede ser de más de 108° (pero si de menos). Con este arreglo en cambio hay un brevísimo momento en que el piñón no engrana a ninguna de las dos cremalleras.

[23] Para evitar que el mecanismo pueda quedar en libre movimiento en el instante en que se produce el cambio de giro del conjunto de pistones y cremalleras, se establece el mecanismo de Pin y Cam, que consiste en un dispositivo que se muestra en la Figura No. 6 en donde (N) es un pin fijo colocado en la cremallera y (M) es un cam montado en el cigüeñal de tal forma que el cam (M) gira juntamente con el cigüeñal y así habrá un momento en que el cam (M) enganche el pin (N). El tiempo de enganche estará determinado por el ancho (K) del cam (M)

[24] En la Figura No. 7 vemos la aplicación de este dispositivo a la primera solución propuesta. Así tenemos un Pin (Ne) y (Nr) fijo colocado en cada cremallera, y un Cam (M) montado en el cigüeñal (C) y unido al piñón (G) que gira juntamente con este. El Cam (M) esta dispuesto de tal forma que en cuanto el piñón (G) suelte la cremallera (Re) este enganche el Pin (Ne) y evite de esta forma cualquier movimiento que pudiera ocurrir en el conjunto de pistones - cremalleras. Para cuando el piñón (G) vaya a engranarse con la otra cremallera (Rr), el Cam (M) habrá soltado el Pin (Ne), permitiendo el libre movimiento del conjunto de pistones -cremalleras.

[25] Esta primera solución es válida para pistones relativamente pequeños y con poco desplazamiento vertical, porque la disposición de las cremalleras enfrentadas produce también una fuerza horizontal, que mientras más grande sea el pistón, más grande será esta fuerza.

[26] Segunda: Para esta solución tenemos igualmente un sistema constituido por dos pistones (Pu) y (Pd) enfrentados a 180° y unidos por el medio de los pistones por una sola cremallera doble (Re) y (Rr), esto es con dientes a un lado y otro del eje vertical de la cremallera, como se indica en la Figura No. 8

[27] Aquí en cambio tenemos dos piñones (Ge) y (Gr) dispuestos a cada lado de la cremallera. A diferencia de la solución anterior los piñones pueden ser de hasta cerca de 180° (o menores).

[28] Cada piñón está unido a un eje secundario (ESe) y (ESr) respectivamente, los mismos que a su vez termina en un piñón completo DGe (Driver Pinion L) y DGr (Driver Pinion R) que engrana siempre con un piñón central PG (Power Pinion) que es el que une los dos piñones (Ge) y (Gr), como indica la Figura No. 9

[29] Los ejes (ESe) y (ESr) con sus respectivos piñones (DGe) y (DGr) permiten vincular los piñones (Ge) y (Gr) que se unen a través del piñón central (PG). Así tendremos siempre un movimiento continuo de los 3 piñones, y cada eje se encargará de establecer el tiempo de engranaje y desengranaje de los piñones (Ge) y (Gr) de sus respectivas cremalleras.

[30] Es del Power Pinion que se puede tomar el movimiento giratorio a ser utilizado. El eje de este piñón (EP) es el cigüeñal (C) propiamente dicho.

[31 ] Igual que en la solución anterior, para evitar que el mecanismo pueda quedar en libre movimiento en el instante en que se produce el cambio de giro del conjunto de pistones y cremallera, se establece el mecanismo de Pin y Cam, dispositivo que se muestra en la Figura No. 10 y que consta de los Cams (Me) y (Mr) que giran conjuntamente con sus respectivos piñones (Ge) y (Gr); y de los pines fijos (Ne) y (Nr) colocados en sus respectivas cremalleras (Re) y (Rr)

[32] ALTERNATIVA [33] Como una alternativa aplicable a las dos soluciones anteriores, es la de utilizar piñones de 90° en vez de los de 108° y 180°. Obviamente el piñón resulta un poco más grande, porque hay que hacer el mismo recorrido vertical del pistón, en tan solo 90° de giro del piñón.

[34] La ventaja de esta alternativa está en que disponemos de 90° de giro del cigüeñal en el que el conjunto pistones cremallera no se mueve (esto gracias al dispositivo de pin y cam). Con esto logramos un mayor tiempo para la mezcla de combustible oxigeno, o para que los gases quemados salgan por completo del cilindro.

[35] En la Figura No. 11 se aprecia los distintos tipos de piñones y en la Figura No. 12 la nueva distribución de los 4 tiempos de un cilindro, con la aplicación del sistema de piñón de 90°

[36] Para cualquiera de las dos soluciones anteriores es necesario utilizar un mínimo de

2 pares de Pistones Cremallera, para que el ciclo de 4 tiempos se complete y el motor funcione adecuadamente. Por razones de simplicidad aquí solo hemos analizado un par de cada solución, ya que el otro par tiene el mismo funcionamiento.

[37] En la Figura No. 13 se aprecian los dos pares de pistones cremalleras para la primera solución. Y en la Figura No. 14 para la segunda solución.

[38] En cualquiera de las dos soluciones se pueden añadir n pares de pistones cremallera, según las necesidades. Efectos ventajosos

[39] Ventajas

[40]

1. Menor desperdicio de energía y por lo mismo menor consumo de combustible lo que se traduce en menor contaminación atmosférica.

2. Al eliminar los codos del cigüeñal, también eliminamos las chaquetas de biela y bancada y en su lugar utilizamos rodamientos que tienen menos fricción y por lo mismo se desperdicia menos energía con el correspondiente aumento del rendimiento del motor.

3. El cigüeñal mismo al ser un eje recto (sin codos), va a ser más liviano y vibrará menos, o sea más ahorro de combustible.

4. Al estar unidos dos cilindros por medio de las cremalleras, se optimiza al máximo la fuerza generada por la explosión.

5. Se tiene una considerable disminución del tamaño y peso del motor con sus correspondientes implicaciones.

[41 ]

Descripción breve de las figuras [42] Para todos los dibujos presentados:

[43] B Biela

[44] C Cigüeñal (Crankshaft)

[45] DGe Driver Pinion izquierdo [46] DGr Driver Pinion derecho

[47] E Eje (Shaft)

[48] EP Eje principal

[49] ESe Eje secundario izquierdo

[50] ESr Eje secundario derecho

[51 ] F Fuerza

[52] Fa Fuerza aplicada

[53] Fh Fuerza horizontal (componente horizontal)

[54] Fv Fuerza Vertical (componente vertical)

[55] G Piñón (Pinion o Gear)

[56] Ge Piñón izquierdo

[57] Gr Piñón derecho

[58] J Bujía

[59] K Ancho del cam

[60] M Cam

[61 ] Me Cam izquierdo

[62] Mr Cam derecho

[63] N Pin

[64] Ne Pin izquierdo

[65] Nr Pin derecho

[66] NC Nivel del cigüeñal

[67] P Pistón

[68] Pu Pistón Superior

[69] Pd Pistón Inferior

[70] PG Power Pinion

[71 ] PMS Punto máximo superior

[72] R Cremallera (rack)

[73] Re Cremallera izquierda

[74] Rr Cremallera derecha

Claims

Reivindicaciones[1 ] En un motor que utilice el mecanismo de biela y cigüeñal, se produce una descomposición de la fuerza aplicada al pistón, en componentes vertical y horizontal. Este fraccionamiento de la fuerza produce una reducción en la fuerza real trasmitida al elemento giratorio (cigüeñal). Parte de la energía total generada, utilizada por la componente de la fuerza horizontal, es desperdiciada por la fricción entre los anillos de compresión y la pared del cilindro. La solución más obvia es conseguir que toda la fuerza ejercida por el pistón, este siempre perpendicular al cigüeñal. Eliminando así la componente horizontal que produce el mecanismo de biela. Esto se puede conseguir fácilmente utilizando una combinación de un piñón y una cremallera como se indica en la Figura No. 4 Las distintas soluciones utilizando esta combinación son las reivindicaciones que a continuación reclamamos:

1. Un sistema constituido por la unión de dos pistones (Pu) y (Pd) por medio de 2 cremalleras (Re) y (Rr) en medio de las cuales gira un piñón (G) que puede tener un ángulo desde 90° a 180° y unido a este piñón un dispositivo de cam (M) que enganchará y desenganchará dos pines (Ne) y (Nr) según se indica en la Figura No. 7 En el que la mejora comprende en la aplicación perpendicular de la fuerza generada en el pistón, de una manera continua al piñón (G) y por medio de este al cigüeñal (C), sin el fraccionamiento de la fuerza producido en los mecanismos que utilizan el sistema de biela y cigüeñal.

2. El sistema de la reivindicación No. 1 caracterizado porque el cam (M) se une de manera fija al piñón central (G), dispuesto de tal forma que este cam (M) enganche un pin (Ne) en cuanto el piñón (G) desengrana la cremallera (Re); y desengancha el pin (Ne) en cuanto el piñón (G) engrana la cremallera (Rr). E igualmente que enganche un pin (Nr) en cuanto el piñón (G) desengrana la cremallera (Rr); y desengancha el pin (Nr) en cuanto el piñón (G) engrana la cremallera (Re), según se indica en la Figura No. 7

3. El sistema de la reivindicación No.1 caracterizado porque dicho sistema comprende el desplazamiento lineal del Pistón (Pu) y conjuntamente con este el desplazamiento de la cremallera (Re) la misma que hace girar el Piñón (G) unido a un eje recto (C) que hace las veces de cigüeñal. Según se indica en las Figuras 5 y 7. Cuando el pistón (Pu) llegue a su punto máximo inferior, el Pistón (Pd) se habrá desplazado a su punto máximo superior y el piñón (G) habrá girado de tal forma que esté listo para engranarse con la cremallera (Rr). Es este pistón (Pd) el que hará girar el piñón (G) y con este el cigüeñal (C), hasta que este pistón llegue a su punto máximo inferior y por lo mismo el pistón (Pu) se haya desplazado a su punto máximo superior, repitiéndose el ciclo indefinidamente. Como el sistema total comprende dos pares de pistones- cremallera, es un pistón a la vez el que recibe la energía de desplazamiento, la misma que sirve para mover todo el conjunto y que el ciclo continué.

4. Un sistema constituido por la unión de dos pistones (Pu) y (Pd) por medio de una cremallera doble (dentada a los dos lados) (Re) y (Rr), en la que en cada lado gira un piñón (Ge) y (Gr) que pueden tener un ángulo desde 90° a 180° según se indica en las Figuras No. 8 y 9; y unidos a cada piñón un cam (Me) y (Mr) que enganchará y desenganchará dos pines (Ne) y (Nr). En el que la mejora comprende en la aplicación perpendicular de la fuerza generada en el pistón, de una manera continúa al piñón (Ge) y (Gr) y por medio de estos al cigüeñal C (EP), sin el fraccionamiento de la fuerza producido en los mecanismos que utilizan el sistema de biela y cigüeñal.

5. El sistema de la reivindicación No. 4 caracterizado porque el cam (Mc) se une de manera fija al piñón (Ge), y el cam (Mr) se une de manera fija al piñón (Gr), dispuestos de tal forma que el cam (Me) enganche un pin (Ne) en cuanto el piñón (Ge) desengrana la cremallera (Re); y desengancha el pin (Ne) en cuanto el piñón (Gr) engrana la cremallera (Rr). E igualmente que el cam (Mr) enganche un pin (Nr) en cuanto el piñón (Gr) desengrana la cremallera (Rr); y desengancha el pin (Nr) en cuanto el piñón (Ge) engrana la cremallera (Re), según se indica en las Figuras No. 9 y 10

6. El sistema de la reivindicación No.4 caracterizado porque dicho sistema comprende el desplazamiento lineal del Pistón (Pu) y conjuntamente con este el desplazamiento de la cremallera (Re) la misma que hace girar el Piñón (Ge) unido a un eje recto (ESe) que a su vez termina en un piñón (DGc) completo (360°). Cuando el pistón (Pu) llegue a su punto máximo inferior, el Pistón (Pd) se habrá desplazado a su punto máximo superior, el piñón (Ge) se habrá desengranado de la cremallera (Re). A través del Piñón intermedio (PG), el piñón (DGr), el eje recto (ESr), el piñón (Gr) habrá girado de tal foπna que este listo para engranarse con la cremallera (Rr). Es el pistón (Pd) con su cremallera (Rr) el que hará girar el piñón (Gr), hasta que este pistón llegue a su punto máximo inferior y por lo mismo el pistón (Pu) se haya desplazado a su punto máximo superior, repitiéndose el ciclo indefinidamente, según se indica en las Figuras No. 9 y 10. Como el sistema total comprende dos pares de pistones- cremallera, es un pistón a la vez el que recibe la energía de desplazamiento, la misma que sirve para mover todo el conjunto y que el ciclo continúe.

7. Los sistemas descritos en las reividicaciones 1 al 6 caracterizados porque pueden constituirse por n pares de pistones - cremalleras

8. Los sistemas descritos en las reividicaciones 1 al 7 caracterizado porque su aplicación está dirigido a: compresores, motores eléctricos, motores automotrices, etc.