кольцевая дифференциальная передача и поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий дифференциальную передачу

Формула изобретения

1. Дифференциальная передача для преобразования входного возвратно-поступательного движения ведущих звеньев в выходное вращательное движение ведомого звена в виде вала, имеющая неподвижное основание и кольцевой элемент, расположенный на внешней части универсального шарнира, посредством внутренней части связанного с валом, при этом кольцевой элемент имеет возможность опоры на поверхности неподвижного основания, толкатели, имеющие возможность поочередного воздействия на кольцевой элемент для поворота кольцевого элемента на универсальном шарнире до места опоры кольцевого элемента на поверхности основания, и обеспечивающие возможность движения геометрической оси кольцевого элемента по поверхности воображаемого конуса с совершением колебательного движения кольцевого элемента с перемещением его места опоры по окружности на поверхности основания, отличающаяся тем, что вал имеет эксцентричную часть, универсальный шарнир расположен на эксцентричной части вала и установленный на универсальном шарнире кольцевой элемент является эксцентричным относительно вала, при этом обеспечивается возможность взаимного вращения эксцентричного кольцевого элемента и эксцентричной части вала относительно друг друга и, таким образом, возможность вращения вала, достигаемые посредством недопущения однонаправленного углового смещения кольцевого элемента относительно неподвижного основания и за счет вышеуказанного движения геометрической оси кольцевого элемента, поверхности неподвижного основания и кольцевого элемента являются гладкими.

2. Передача по п.1, отличающаяся тем, что из поверхностей неподвижного основания и кольцевого элемента по меньшей мере одна поверхность является конусной.

3. Передача по п.2, отличающаяся тем, что кольцевой элемент имеет опору на конусной поверхности неподвижного основания, которая обращена в сторону вала.

4. Передача по п.1, отличающаяся тем, что толкатели являются шатунами и связаны посредством универсальных шарниров с кольцевым элементом и с поршнем.

5. Поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий дифференциальную передачу по любому из пп.1-4, имеющий цилиндры с поршнями, связанными с толкателями, и распределитель зажигания, связанный с валом.

6. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что каждый поршень связан с толкателем посредством универсального шарнира.

7. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что число цилиндров в двигателе нечетно и больше семи.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к средствам преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и двигателю, снабженному таким средством и имеющему оси цилиндров, параллельные оси коренного вала.

Уровень техники

Дифференциальный механизм имеет две степени свободы и преобразует движения, по меньшей мере, двух входных звеньев в движение одного выходного звена. Примером такого механизма может служить передача поршневого гидравлического двигателя, раскрытая в GB 1364093 A.

Эта дифференциальная передача для преобразования входного возвратно-поступательного движения ведущих звеньев в выходное вращательное движение ведомого звена в виде вала имеет неподвижное основание в виде первой конической шестерни и кольцевой элемент, соответственно в виде второй конической шестерни, расположенный на внешней части универсального шарнира, посредством внутренней части связанного с валом. При этом кольцевой элемент имеет возможность опоры на поверхности неподвижного основания в виде конической шестерни. Толкатели в виде гидравлических поршней имеют возможность поочередного воздействия на кольцевой элемент для поворота кольцевого элемента на универсальном шарнире до места опоры кольцевого элемента на поверхности основания и обеспечивают возможность движения геометрической оси кольцевого элемента по поверхности воображаемого конуса с совершением колебательного движения кольцевого элемента с перемещением его места опоры по окружности на поверхности основания. Имеется средство управления поочередным движением толкателей в виде шарнирно закрепленного на вале экцентричного элемента, частота вращения которого определяется движением геометрической оси кольцевого элемента по поверхности воображаемого конуса. Этот элемент распределяет поступление рабочей жидкости в камеры поршней.

Поскольку количество зубьев у первой и второй конических шестерен неравно, то вторая коническая шестерня поворачивается относительно неподвижной конической шестерни. Т.к. вторая коническая шестерня может поворачиваться относительно вала только в плоскости, проходящей через ось симметрии вала, но не может поворачиваться относительно вала в плоскости, перпендикулярно проходящей через ось симметрии вала, то относительное вращение двух конических шестерен преобразуется во вращение вала.

Толкатели посредством универсальных шарниров снабжены башмаками, не связанными с поверхностью второй конической шестерни, вращающейся относительно первой конической шестерни, поскольку толкатели фиксировано расположены в корпусе гидромотора только с возможностью возвратно-поступательного движения.

Таким образом, известная из уровня техники дифференциальная передача характеризуется сильным уровнем шума вследствие применения зубчатого зацепления и низкой частотой вращения выходного вала, поскольку цикл срабатывания всех расположенных по кругу толкателей влечет за собой поворот выходного вала только на угол, равный соотношению разности (z1-z2) количества зубьев первой и второй конической шестерни к соотношению 360° и количества зубьев z2 второй конической шестерни: 360°/z2=z1-z2.

Например, при z1=37, z2=36 за цикл срабатывания всех толкателей выходной вал повернется на 10°. Если z1=35, то выходной вал повернется также на 10°, но в противоположную сторону.

Известны двигатели внутреннего сгорания, имеющие оси цилиндров, параллельные оси коренного вала US 2940325, US 4852418. Однако их кольцевой элемент, связанный с поршнями, не опирается на неподвижное основание. В результате такие двигатели не являются надежными. В двигателе, раскрытом в RU 2152524, кольцевой элемент, связанный с поршнями, зажат между двумя зубчатыми основаниями, имеющими возможность вращения. Однако использование в двигателе такой передачи ввиду ее сложности и, следовательно, ненадежности, низкого КПД и высокого уровня шума из-за применения зубчатого зацепления не получило распространения.

Сведения, раскрывающие сущность изобретения

В заявленной передаче для увеличения надежности и снижения уровня шума вал имеет эксцентричную часть, универсальный шарнир расположен на эксцентричной части вала. Следовательно, установленный на универсальном шарнире кольцевой элемент (качалка) является эксцентричным относительно вала. При этом обеспечивается возможность взаимного вращения эксцентричного кольцевого элемента и эксцентричной части вала относительно друг друга и, таким образом, возможность вращения вала. Это достигается посредством недопущения однонаправленного углового смещения кольцевого элемента относительно неподвижного основания и за счет вышеуказанного движения геометрической оси кольцевого элемента. Для этого поверхности неподвижного основания и кольцевого элемента выполнены гладкими. Кольцевой элемент может иметь опору на конусной поверхности неподвижного основания, которая обращена в сторону вала.

Что касается конкретного средства управления поочередным движением толкателей, то им может быть средство, связанное с валом. В случае применения заявленной передачи в гидромоторе это средство распределяет поочередно открытие клапана подвода рабочей жидкости в каждую камеру поршня толкателя, его закрытие и открытие клапана отвода жидкости. Частота оборотов в данном случае зависит от нагрузки на валу и от рабочего давления жидкости.

В случае применения заявленной передачи в двигателе внутреннего сгорания таким средством может быть распределитель зажигания. Частота оборотов в данном случае зависит от нагрузки на валу и от количества топлива, подаваемого в камеры сгорания.

Для предотвращения выкрашивания контактирующих поверхностей основания и кольцевого элемента предпочтительно, чтобы из поверхностей неподвижного основания и кольцевого элемента по меньшей мере одна поверхность была бы выполнена конусной. В этом случае может быть обеспечен контакт поверхностей не в одной точке, а на радиальном отрезке. Предпочтительно, чтобы это была поверхность кольцевого элемента, т.к. в этом случае поверхность неподвижного основания может быть выполнена плоской, что повышает технологичность изготовления.

Предпочтительно выполнение толкателей в виде шатунов, связанных посредством универсальных шарниров с кольцевым элементом и с поршнем. Однако заявленная передача будет работоспособна и в случае применения стержневых толкателей, один конец которых является поверхностью поршня, а другой конец посредством универсального шарнира связан с башмаком, опирающимся на поверхность кольцевого элемента при рабочем ходе.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 изображен двигатель с дифференциальной передачей, где 1 - кольцевой элемент (качалка), 2 - втулка между универсальным шарниром и эксцентриком, 3 - эксцентрик вала, 4 - поршень, 5 - генератор, 6 - распределитель зажигания, 7 - вал управления открытия и закрытия клапанов цилиндров, 8 - муфта соединительная, 9 - сцепление, 10 - вал отбора мощности, 11 - насос масляный, 12 - вал привода, 13 - неподвижное основание, 14 - универсальный шарнир.

На фиг.2 изображен эксцентриковый вал двигателя.

На фиг.3 изображен кольцевой элемент, опирающийся на неподвижное основание в точках опоры, расположенных по окружности.

На фиг.4 изображена схема газораспределения.

На фиг.5 изображен порядок работы цилиндров семицилиндрового двигателя.

На фиг.6 изображена иллюстрация невозможности работы пятицилиндрового двигателя.

На фиг.7 изображена иллюстрация невозможности работы двигателя с четным количеством цилиндров.

На фиг.8 изображено сечение поршня, толкателя в виде шатуна и кольцевого элемента.

На фиг.9 изображен вид А поршня на фиг.8.

На фиг.10 изображено сечение Б-Б шатуна на фиг.8.

На фиг.11 изображено сечение В-В шатуна и кольцевого элемента на фиг.10.

На фиг.12, 13 изображены варианты конструкции поршня с шарообразной головкой шатуна.

На фиг.14 изображены операция горячепрессовой посадки шаровой опоры с последующей развальцовкой шатуна и разъемная опорная головка шатуна с нижней крышкой опорной головки шатуна.

На фиг.15 изображен вид А-А на фиг.14.

На фиг.16 изображены передающие звенья механизма газораспределения.

На фиг.17 изображены 2 варианта вида А кулачковых рычагов на фиг.16.

На фиг.18 изображено сечение Б-Б на фиг.16.

На фиг.19, 20 изображены 2 варианта передачи вращательного движения от вала привода на распределительный диск механизма газораспределения.

Осуществление изобретения

Пример осуществления передачи с двумя кольцеобразными деталями 1, 13 представлен на фиг.1. Одна из деталей неподвижная, выполнена в виде основания 13 с выступающей верхней частью в форме кольца, внутренняя поверхность которого является опорной при «обкатке» кольца подвижного кольцевого элемента 1. Предназначена передача для применения в кинематических цепях, как вид механической передачи для преобразования линейного возвратно-поступательного движения ведущего звена аксиального расположения (например, поршня в двигателях внутреннего сгорания и др. силовых агрегатах) во вращательное движение приводного вала. Принцип взаимодействия кольцеобразных деталей заключается в том, что подвижное кольцо 1, расположенное наклонно к плоскости основания, при эксцентричном смещении его оси относительно оси неподвижного основания на величину эксцентриситета S, «обкатываясь» (но не вращаясь) по наклонной внутренней поверхности неподвижного основания 13, совершает колебательно-круговое движение.

Соответственно возможность обкатки подвижного кольца 1 достигается в совокупности с применением эксцентрикового приводного вала 12, где кольцевой элемент 1 вращательно связан с эксцентриком на валу 12. «Обкатка» кольцевого элемента и его колебательно-круговые движения есть результат преобразования возвратно-поступательного движения ведущего звена во вращательное с передачей его на эксцентриковую часть приводного вала.

Что касается приводного вала, эксцентриковая часть его, как элемент конструкции, является в данном случае основой при использовании двух кольцеобразных деталей и их взаимодействии за счет гладких поверхностей и равноценна передаче зубчатого зацепления, как вид механической передачи, с сохранением необходимых требований синхронности передаваемого движения. Отличительной особенностью конструкции эксцентрикового вала является его часть, выполненная в форме диска, геометрическая ось которого эксцентрично смещена относительно оси вала на величину S (фиг.2).

Наружная поверхность Д эксцентрика, воспринимающая вращательное движение и нагрузку Р от ведущего звена, используется при этом как шатунная шейка коленчатого вала.

На фиг.1 схематично отражен двигатель внутреннего сгорания с дифференциальной передачей для преобразования входного возвратно-поступательного движения ведущих звеньев (толкателей в виде шатунов, связанных с поршнями) в выходное вращательное движение ведомого звена в виде вала 12. Передача двигателя содержит неподвижное основание 13 и кольцевой элемент 1, расположенный на внешней части универсального шарнира 14, посредством внутренней части связанного с валом 12 через втулку 2 и эксцентрик 3.

Кольцевой элемент 1 имеет возможность опоры на поверхности неподвижного основания 13. Толкатели имеют возможность поочередного воздействия на кольцевой элемент 13 для поворота (по направлению вниз) кольцевого элемента на универсальном шарнире до места опоры кольцевого элемента 1 на поверхности основания 13 и обеспечивают возможность движения геометрической оси кольцевого элемента по поверхности воображаемого конуса с совершением колебательного движения кольцевого элемента 1 с перемещением его места опоры по окружности на поверхности основания 13.

Вал имеет эксцентричную часть (эксцентрик 3), при этом универсальный шарнир 14 расположен на эксцентрике 3 вала. Следовательно, установленный на универсальном шарнире 14 кольцевой элемент 1 является эксцентричным относительно вала 12.

При этом обеспечивается возможность взаимного вращения эксцентричного кольцевого элемента 1 и эксцентрика 3 вала 12 относительно друг друга и, таким образом, возможность вращения вала 12, достигаемые посредством недопущения однонаправленного углового смещения кольцевого элемента 1 относительно неподвижного основания 13 и за счет вышеуказанного движения геометрической оси кольцевого элемента 1.

Таким образом, эксцентричное движение кольцевого элемента 1, вращательно (через элементы 14, 2) связанного с экцентриком 3, заставляет вращаться эксцентрик 3 вала 12.

Основным же элементом конструкции механизма является кольцевая дифференциальная передача, взаимодействие кольцеобразных деталей которой используется как вид механической передачи в процессе преобразования линейного возвратно-поступательного движения ведущего звена во вращательное движение приводного вала, при одновременном увеличении передаваемого усилия. Касаясь конструктивного исполнения, следует отметить также, что кольцевая дифференциальная передача как элемент конструкции механизма содержит кольцевой элемент 1, который является частью промежуточного звена, вращательно связанного со сферической частью (поверхностью) его корпуса, и диаметральная часть его служит местом крепления (установки) нижней головки шатуна (фиг.1). Соответственно, исходя из условий колебательно-кругового движения промежуточного звена при передаче линейного движения от поршня, определяется необходимость конструктивного исполнения шатунно-поршневой группы с применением сферического шарнира как в поршне, так и в нижней головке шатуна. Что касается системы смазки в двигателе внутреннего сгорания (ДВС), то следует отметить, что приводной вал, как обычно в ДВС принято, является основным каналом для смазки внутренних механизмов.

Далее рассматривается вопрос о возможности применения планетарного механизма в ДВС как узла, предназначенного для преобразования линейного движения поршней аксиального направления во вращательное движение приводного вала.

На фиг.4 изображен рабочий цикл семицилиндрового двигателя, где усилие от поршня на приводной вал передается за счет промежуточного звена, совершающего колебательно-круговое движение. Рабочий цикл двигателя должен рассматриваться непосредственно с этим звеном исходя из существующих конструктивных норм 4-тактового ДВС с порядком рабочего цикла ВПУСК-СЖАТИЕ-РАБОЧИЙ ХОД-ВЫПУСК.

На фиг.5-7 представлены три варианта схем порядка работы двигателя, определяющие минимально возможное количество цилиндров исходя из принятых исходных данных. На фиг.5 показан порядок работы семицилиндрового двигателя, схема его рабочего цикла при передаче движения между цилиндрами 1-3. Величина передаваемого усилия "Р" в данной схеме, как результирующая составляющая ее П'-П", передается на сферическую поверхность корпуса механизма и соответственно на приводной вал.

Вариант схемы двигателя с количеством 5 цилиндров представлен на фиг.6. Прямая между цилиндрами 1-3, как начальная линия формирования передаваемого усилия "Р", проходит через промежуточный узел формирования движения, передаваемого от поршня, что практически исключает возможность формирования (передачи) усилия "Р", соответственно подтверждая неприемлемость количества пяти цилиндров.

Вариант схемы с количеством 6 цилиндров дан на фиг.7. Следует отметить, что в условиях аксиального расположения поршней при четном их количестве 4-тактный цикл работы поршневого двигателя не приемлем. Таким образом, исходя из представления количества цилиндров в поршневом двигателе, можно утверждать, что количество их должно быть не четным и не менее семи. Можно утверждать, что в данном сравнении можно рассматривать любой современный 4-тактный двигатель, включая и дизельный, поскольку вопрос касается принципа самой схемы работы поршневой системы двигателя.