Трансмиссия - RU2161741C2
Код документа: RU2161741C2
Чертежи
Описание
Настоящее изобретение относится к средству передачи энергии, преобразующему линейные движения во вращательные движения или наоборот. Изобретение предназначено для использования прежде всего в двигателях внутреннего сгорания, но не ограничивается этой областью техники.
Передача энергии от возвратно-поступательного движения к вращательному движению обычно осуществляется с помощью какого-либо вида коленчатого вала или аналогичного устройства. В некоторых случаях, однако, коленчатые валы не вполне пригодны, в особенности, когда во вращательное движение необходимо преобразовать возвратно-поступательные движения, совершаемые в различных, часто противоположных направлениях. Это особенно справедливо для такого типа силовых машин, например двигателей внутреннего сгорания, компрессоров и насосов, где два поршня одновременно работают друг против друга в общем канале цилиндра. В этом случае применение коленчатых валов влечет за собой использование сложных механических конструкций, необходимых для преобразования всей энергии двух поршней в одно общее вращательное движение.
В традиционной конструкции с коленчатым валом имеются боковые силы направляющего пути, которые действуют между поршнем и цилиндрическим каналом и создают так называемые эффекты выдвижного ящика. В таких конструкциях поршневая головка шатуна расположена под поршнем, что делает конструкцию очень сложной с точки зрения изготовления и налагает особые требования на смазку и конструкцию смазочной системы. Второй конец шатуна установлен в подшипниках на коленчатом валу, и силы трения в подшипниках снижают механический КПД традиционных конструкций. При использовании средства, соответствующего настоящему изобретению, боковые силы, вызывающие эффекты выдвижного ящика, намного уменьшаются, снижается потребность в смазке, а сама смазка упрощается. Кроме того, достигается существенное снижение массы поршня и деталей, которые соответствуют шатуну, коленчатому валу и подшипникам коленчатого вала, а изготовление этих деталей значительно упрощается.
Известно устройство по а.с. СССР N 1800103, приоритет от 22.04.91, М. кл. F 04 В 27/02, F 01 В 9/06, F 16 H 21/31, обеспечивающее преобразование вращательного движения в возвратно-поступательное движение, предназначенное для компрессоров с двумя камерами сгорания для двух поршней, являющееся наиболее близким к заявляемому техническому решению.
Устройство содержит подвижный диск, связанный с валом и имеющий замкнутую криволинейную дорожку с внутренней и внешней кромками и неподвижный диск, имеющий прямолинейные дорожки, находящиеся в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала, при этом в замкнутой криволинейной дорожке подвижного диска установлены шарики с держателями, которые жестко соединены с соответствующими шатунами, концы которых снабжены поршнями, имеющими возможность возвратно-поступательного движения в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала, при этом держатели шариков установлены в прямолинейных дорожках с возможностью возвратно-поступательного движения в них.
Устройство работает следующим образом. При вращении диска, связанного с валом двигателя, рабочая грань замкнутой криволинейной дорожки подвижного диска производит давление на шарики в точках контакта, прижимая их к рабочей грани прямолинейной дорожки, а также перемещает шарики и связанные с ними поршни с шатунами в противоположных направлениях. При этом раскрывается зазор между шариками и неработающими гранями дорожек, что способствует качению шариков и передаче движения от вращательного к возвратно-поступательному.
Недостатком описанного выше ближайшего аналога является наличие угловых нагрузок в точках контакта дорожек с шариками, что приводит к увеличению трения в точках контакта, преждевременному износу шариков и дорожек в местах контакта, снижению коэффициента полезного действия при преобразовании вращательного движения в возвратно-поступательное движение.
Задачей заявляемого в качестве изобретения технического решения является повышение коэффициента полезного действия за счет исключения угловых нагрузок, возникающих при перемещении шариков в дорожках.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот, предназначенном, например, для компрессоров или двигателей внутреннего сгорания с одной или с двумя камерами сгорания для двух поршней, содержащем подвижный диск, связанный с валом и имеющий замкнутую криволинейную дорожку с внутренней и внешней кромками, и неподвижный диск, имеющий прямолинейные дорожки, находящиеся в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала, при этом в замкнутой криволинейной дорожке подвижного диска установлены шарики с держателями, которые жестко соединены с соответствующими шатунами, концы которых снабжены поршнями, имеющими возможность возвратно-поступательного движения в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала, при этом держатели шариков установлены в прямолинейных дорожках с возможностью возвратно-поступательного движения в них, каждая прямолинейная дорожка имеет полукруглое поперечное сечение, повторяющее форму шариков, в каждой прямолинейной дорожке выполнены направляющие канавки, при этом каждый из держателей имеет переднюю и заднюю части, которые соединены друг с другом с возможностью взаимодействия с шариком, а каждый держатель снабжен по крайней мере одним выступом, который имеет возможность перемещения в направляющих канавках прямолинейных дорожек, причем замкнутая криволинейная дорожка, охватывающая шарики снизу, имеет полукруглое поперечное сечение, повторяющее форму шариков, при этом внешняя кромка замкнутой криволинейной дорожки расположена выше, чем внутренняя кромка этой же дорожки, а кромки прямолинейных дорожек на их протяжении изменяются по высоте от центра подвижного диска к краю, причем глубина каждой из прямолинейных дорожек меньше радиуса шариков для исключения контакта кромок криволинейной и прямолинейных дорожек.
Поставленная задача решается также тем, что в каждом из держателей шариков выполнены центральное отверстие и боковые отверстия для контакта шарика с соответствующей прямолинейной дорожкой неподвижного диска.
Поставленная задача решается также тем, что в двигателе внутреннего сгорания преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное на валу осуществляется от подвижного диска через фиксатор, установленный на валу. Необходимо отметить, что все указанные выше отличительные признаки: форма выполнения держателей, дорожки с направляющими канавками, разновысотные кромки дорожек, форма поперечного сечения и глубина дорожек обеспечивают контакт по линейным поверхностям шариков и дорожек и, тем самым, обеспечивают минимальные потери энергии и более высокий коэффициент полезного действия при преобразовании движения от возвратно-поступательного к вращательному и наоборот.
Настоящее изобретение представляет собой средство передачи энергии от возвратно-поступательного движения вращательному движению посредством шарикоподшипника, который движется в беговых дорожках. Данное средство содержит шарик, окруженный держателем, который установлен на шатуне или соответствующем средстве для передачи линейного движения.
У движущихся шариков одна их часть (верхняя) находится в прямолинейных дорожках, а другая (нижняя) в общей замкнутой криволинейной дорожке, выполненной во вращающемся диске. Комбинация прямолинейных дорожек и криволинейной дорожки удерживает шарики в нужном положении и позволяет им совершать только линейные движения туда и обратно вдоль прямолинейных дорожек, причем их внутреннее и внешнее положение, соответственно, определяется внутренним и внешним расстоянием от криволинейной дорожки до центра вращения вращающегося диска. Прямолинейная дорожка и криволинейная дорожка имеют в целом полукруглое поперечное сечение, которое точно повторяет форму шариков. Вопросы подгонки, допусков и т.д. решаются с учетом выбранного материала, скоростей вращения, нагрузок, смазочных средств и т.п.
Криволинейная дорожка имеет замкнутую криволинейную форму, выбираемую в зависимости от движения, которое должны совершать шарики относительно угла поворота вращающегося диска. Шарики совершают линейное движение вперед и назад, если криволинейная дорожка спроектирована с изменяющимся расстоянием от центра вращения вращающегося диска; если криволинейная дорожка располагается на одинаковом расстоянии от центра вращения вращающегося диска, шарики не совершают движения вперед или назад; если расстояние до центра вращения увеличивается, шарики движутся наружу, а если расстояние до центра вращения уменьшается, движение происходит внутрь. Таким образом, количество движений шариков вперед и назад на один оборот зависит от формы криволинейной дорожки. При желании на некоторых участках шарикам можно придать положение покоя, если сделать криволинейную дорожку круговой формы. Количество движений шариков вперед и назад на один оборот зависит от количества внутренних и внешних положений дорожки соответственно, которых криволинейная дорожка достигает за полный оборот. Нет необходимости в том, чтобы все внешние и внутренние положения были различными. Может также быть желательно, чтобы они не были осесимметричными, т.е. чтобы шарики не совершали движений, симметричных относительно центра вращения.
Когда при повороте вращающегося диска расстояние от криволинейной дорожки до центра вращения увеличивается, внутренняя сторона криволинейной дорожки отжимает шарик наружу. Таким образом, в секторе размером в четверть большого круга на линии контакта между шариками и криволинейной дорожкой на соответствующий шарик действует сила, толкающая его наружу. Когда вращающийся диск поворачивается так, что расстояние от криволинейной дорожки до центра вращения уменьшается, внешняя сторона криволинейной дорожки толкает шарик внутрь. Таким образом, шарики движутся, когда криволинейная дорожка изменяет свое расстояние до центра вращения. В таких положениях криволинейная дорожка располагается под непрямым углом к прямолинейным дорожкам. Составляющие силы в линейных подшипниках, порождаемые указанными выше силами при угловом положении криволинейной дорожки и передаваемые шариками линейным подшипникам, разлагаются на силы, действующие только в направлении вдоль и поперек линейных подшипников. Именно результирующие составляющие сил, действующие в направлении вдоль линейных подшипников, воздействуют на шарики и сообщают им движения вперед и назад.
Система распределения сил энергии с силами, работающими попеременно в различных частях вокруг шарика, и дальнейшим распределением сил через шарик на прямолинейную и криволинейную дорожки, соответственно, дополнительно имеет средства подачи и передачи сил вокруг шарика. От центра вращения к соответствующему шарику проходит напорный шток/шатун, который ходит внутри линейного подшипника до шарика и воздействует на шарик главным образом в той части сектора большого круга, которая повернута внутрь к центру вращения и расположена над криволинейной дорожкой. Этот сектор шарика способен принимать силу и передавать ее дальше через шарик на сектор большого круга, составляющий его четверть, и на ту часть криволинейной дорожки, которая находится не под прямым углом.
Угловое положение создает в прямолинейной дорожке противодействующие силы, которые разделяются на составляющие, направленные вдоль и поперек прямолинейной дорожки. Составляющая, направленная вдоль прямолинейной дорожки, вызывает силу противодействия во вращающемся диске, имеющем криволинейную дорожку, которая сама по себе передает крутящий момент и силу вращающемуся диску. Соответствующим образом направленная внутрь сила от криволинейной дорожки передается через шарик, силовые составляющие и т.д. вплоть до силы, которая отжимает напорный шток в направлении центра вращения.
В той фазе работы, когда силы от шарика должны передаваться напорному штоку, тяговому штоку/шатуну, сила передается главным образом от той части сектора большого круга шарика, который повернут от центра вращения и расположен над криволинейной дорожкой. Отсюда передаваемая сила проходит через шарик в соединительный шток. Такой результат можно получить различными способами: соединением над шариком или соединением на сторонах шарика, расположенных в продольном направлении относительно криволинейной дорожки.
Шарики вращаются вокруг собственной теоретической оси вращения, направление которой в основном непрерывно меняется. Направление вращения шарика определяется главным образом трением между ним и прямолинейной дорожкой. Если бы можно было создать конструкцию без трения, шарик бы вообще не вращался, а совершал лишь линейные движения вперед и назад, не вращаясь вокруг собственной теоретической оси вращения. Таким образом, шарики производят как скользящие, так и вращательные действия относительно как вращающейся криволинейной дорожки, так и прямолинейной дорожки. Однако шарики не занимают положений с прямым реверсированием направления вращения; предполагается, что шарик непрерывно вращается и производит скользящее движение относительно примыкающих поверхностей сектора давления. Когда шарик непрерывно вращается вокруг своей оси, между шариком и соответствующими поверхностями сектора давления можно внести необходимую смазку. Важно, чтобы качество смазки, ее консистенция и т.д., а также соединение поверхностей сектора давления с шариком, тип и качество шарика были адаптированы к конкретному назначению силовой машины и таким ее характеристикам, как нагрузка, скорость вращения, число тактов на один оборот, силы ускорения и замедления при изменении направления линейного движения на обратное и т.д.
Ниже изобретение описывается более подробно на примере варианта его осуществления, показанного на прилагаемых чертежах.
Фиг. 1 - вид в плане, частично в разрезе, устройства, соответствующего изобретению.
Фиг. 2 - разрез устройства, показанного на фиг. 1, под прямым углом к этому чертежу.
Фиг. 3 - разрез устройства, показанного на фиг. 1, под прямым углом также к фиг. 2.
Фиг. 4 - важная часть устройства.
Фиг. 5 - разрез части, показанной на фиг. 4.
Фиг. 6, 7 и 8 - предпочтительные варианты части, показанной на фиг. 5.
Фиг. 9 - устройство, показанное на фиг. 1, на другой стадии его действия.
Фиг. 10-13 - другой вариант частей устройства, в котором дорожки и ограничивающие поверхности держателей шариков оптимизированы для определенного применения.
Фиг. 14-15 - перспективный вид устройства в рабочем положении с деталями, отделенными друг от друга.
Устройство, представленное на чертежах, имеет два параллельных плоских диска, один из которых - неподвижный диск 8, а второй - вращающийся относительно него диск 13 с отверстием 14. Неподвижный диск 8 установлен на корпусе 9, а в центре диска 8, в свою очередь, установлен цилиндр 1, имеющий короткие торцевые стенки 2, 3. В цилиндре находятся два поршня 4, 5, которые являются рабочими поршнями двигателя внутреннего сгорания, имеющими общую камеру сгорания. В других вариантах применения изобретения они могут быть поршнями насосного устройства. Клапаны, системы впрыскивания топлива и тому подобные другие части, которые относятся к двигателю, не являются частью изобретения и не показаны на чертежах. К каждому поршню 4, 5 неподвижно прикреплен шатун 6, 7, который на другом конце имеет держатель 17, 18 для шарика 15, 16, через который сила возвратно-поступательного движения передается на вращающийся диск 13. Шарики 15, 16 служат также в качестве подшипника между неподвижным диском 8 и вращающимся диском 13. Вращающийся диск 13 установлен на фиксаторе 10, который, в свою очередь, установлен на выступающем валу 23 с резьбовым отверстием 20, с которого снимается сила вращения, используемая для различных видов работы. В предпочтительном варианте осуществления изобретения центральная ось канала цилиндра совпадает с центральной осью линии движения шариков.
Если изобретение применяется в насосе или компрессоре, вышесказанное и изложенное ниже применяется с модификациями, зависящими от применения, и передаваемая сила снимается с вращающегося диска.
Шарики 15, 16 способны двигаться как по прямолинейным дорожкам 11, 24 в неподвижном диске, так и по общей овальной дорожке 12 во вращающемся диске. Протяженность прямолинейных дорожек обозначена пунктиром на фиг. 1. В дне прямолинейных дорожек, которые имеют круглую поверхность, имеются направляющие канавки 22, 25, держатели шариков 17, 18 имеют выступы 21, 26, которые соответствуют направляющим канавкам и служат направляющими рельсами.
Держатели шариков 17, 18 имеют особую конструкцию, обеспечивающую как можно меньшие потери при передаче силы и позволяющую избегать угловой нагрузки. Конструкция в данном случае выполнена с учетом прежде всего той фазы работы двигателя, когда поршни при сгорании топлива отходят друг от друга и тем самым прикладывают к шатунам усилие, которое через держатели шариков и шарики передается на вращающийся диск. При других фазах работы силы, действующие в направлении шатунов, имеют меньшую величину. Дорожки, шарики и держатели шариков устройства имеют такую форму и размеры, что контакт между различными деталями происходит не только в точках, но по линейным поверхностям контакта. С целью достижения наибольшего КПД и во избежание угловых нагрузок в дорожках, в которых движутся шарики, соединяющие поверхности должны быть частями больших кругов на шариках и должны быть расположены в одной плоскости или в плоскостях, находящихся под прямым углом друг к другу, для действия и противодействия сил. Этого можно достичь с помощью специальных конструкций дорожек и держателей шариков подшипников, адаптированных к конкретному применению.
Разделение на секторы вокруг шарика можно производить различными способами на различных высотах в зависимости от того, каким силам или составляющим сил отдается приоритет. Внешняя и внутренняя стороны криволинейной дорожки могут иметь различную высоту, и поверхность напорного и тягового секторов шатуна может быть соответствующим образом выше или ниже.
Охватывающие стороны линейного подшипника могут подходить как можно ближе к внутренней и внешней сторонам соответственно криволинейной дорожки. В случае, когда верхний край внутренней стороны криволинейной дорожки понижен, а внешний край приподнят, стороны/кромки прямолинейной дорожки могут подходить близко к нижней части внутренней стороны криволинейной дорожки в той части криволинейной дорожки, где происходит движение шарика из его крайнего внутреннего положения наружу в соответствии с величиной радиуса шарика, когда шарик, находясь в своем внутреннем положении, соприкасается с линейным подшипником на одной линии с центром криволинейной дорожки. Расстояние от этой точки до расположенного дальше всего внутрь внешнего края криволинейной дорожки составляет один радиус шарика. То же имеет место, если внутренний край выше наружного края.
Теперь опишем более подробно действие устройства на примере ситуации, представленной на фиг. 9, где вращающийся диск повернулся на 45o из положения, показанного на фиг. 1. Предполагается, что силовая машина, показанная на фиг. 9, представляет собой двигатель внутреннего сгорания в той фазе его работы, когда горючая смесь в камере сгорания зажжена и расширяется. Давление от поршней преобразуется в силу, действующую на шарики 15, 16, которые, в свою очередь, передают силы на криволинейную дорожку 12 и прямолинейные дорожки 11, 24. В положении, показанном на чертеже, это приводит к появлению силы, действующей на шарики 15, 16, направленной под углом вверх от вращающейся дорожки 12, и силы, направленной под углом вниз от прямолинейной дорожки 11, 24; результирующая сила действует на вращающийся диск таким образом, что он движется в направлении, показанном стрелкой 37. По мере продолжения вращения шарик 16 проходит нижнюю мертвую точку (НМТ) 38 и, если двигатель работает по четырехтактному принципу, образующиеся при сгорании газы выдуваются во время вращения к верхней мертвой точке (ВМТ) 39. При продолжении движения к следующей (НМТ) 40 происходит впуск горючего и воздуха, после чего газовая смесь сжимается до следующей (ВМТ) 41. Таким образом, полный рабочий цикл проходит всего за один оборот вращающегося диска. Если двигатель работает по двухтактному принципу, за один оборот диска проходят два рабочих цикла. Такие же условия работы имеют место и при работе устройства в насосе или компрессоре, но силы, возникающие между шариками и верхней и нижней дорожками, могут в этом случае иметь обратные направления. Изменив форму вращающейся дорожки 12, например, на форму четырехлепесткового клеверного листа, можно удвоить число рабочих циклов на один оборот диска. При других конструкциях дорожки 12 можно получать другие количества рабочих циклов на один оборот.
Теперь опишем более подробно держатель шарика подшипника на примере варианта изобретения, показанного на фиг. 4. Передний край 19 и задний край 29 соединены друг с другом и окружают шарик 15 на протяжении частей его окружности. Шарик установлен таким образом, что его центральная точка совпадает с центральной осью шатуна 6, плоскость края 19 находится несколько выше параллельной плоскости, проходящей через центральную ось шатуна, а задняя часть 29 соответственным образом располагается несколько ниже параллельной ей плоскости, проходящей через центральную ось шатуна. Нижняя часть шарика, как показано на фиг. 4, движется по дорожке 12 во вращающемся диске, и при работе устройства сила давления может таким образом передаваться от поршня на вращающуюся овальную дорожку 12 почти линейным образом, причем контакт происходит по линейным контактным поверхностям шарика, а не точечно.
Дорожки вращающегося и неподвижного дисков, в которых движутся шарики, адаптированы к держателю шарика, который наиболее выгоден для распределения силы. Это означает, что в неподвижном диске дорожки 11, 24 имеют одну и ту же высоту кромок с обеих сторон, а глубина дорожки чуть меньше радиуса шариков. Глубина дорожки может также меняться, как показано на фиг. 10-13, из которых видно, насколько близко друг к другу располагаются граничные линии или поверхности, которые ограничивают прямолинейную и криволинейную дорожки соответственно. Часть прямолинейной дорожки, которая ближе всего к центру устройства, выполнена с удлиненными краями, которые выступают вниз за центральную плоскость шарика. Расстояние между дорожками во время по крайней мере частей рабочего цикла имеет лишь такую величину, какая необходима, чтобы избежать непосредственного контакта между ограничивающими поверхностями дорожек с учетом допусков различных деталей. Дорожка 12 вращающегося диска имеет кромки различной высоты: внутренняя кромка 28, т.е. кромка, которая находится ближе к центру вращения, расположена несколько ниже внешней кромки 27. Внутренняя кромка 28 и внешняя кромка 27 предпочтительно располагаются по разные стороны от плоскости, проходящей через центр шариков и параллельной плоскости вращения. Как и держатель шарика, дорожки проектируются с учетом сил, возникающих при данном конкретном применении, а также пространства, которое будет занимать держатель шарика.
Верхняя часть шарика, показанного на фиг. 4, движется по линейной дорожке, выполненной в неподвижном диске. Шарик соприкасается с поверхностью дорожки, выступая через отверстия 30, 31 держателя шарика. Прямолинейные дорожки 11, 24 точно подогнаны к шарику, держателю шарика и направляющему рельсу.
На фиг. 5, 6, 7 и 8 показаны различные варианты держателя шарика и направляющих дорожек. На фиг. 6 видно также, как шарик при движении (влево на чертеже) гонит смазочное масло перед собой. Смазочное масло переносится шариком на держатель шарика и стенки неподвижной дорожки, которые соприкасаются с шариком. Шарик взаимодействует с передней частью 35 и задней частью 36 держателя шарика; эти части соединены направляющими рельсами 21. Между частями 36 держателя шарика имеются боковые отверстия 33, 34 и центральное отверстие 32, через которые шарик соприкасается с соответствующей дорожкой неподвижного диска. Дорожка, неподвижная относительно источника энергии, была описана выше как прямолинейная. В других вариантах изобретения эта дорожка может также быть изогнутой или иметь форму замкнутой кривой, например эллипса. Эти и другие модификации не выходят за рамки идеи изобретения.
Реферат
Изобретение предназначено для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот и может быть использовано в компрессорах или двигателях внутреннего сгорания с одной или с двумя камерами сгорания для двух поршней. Изобретение содержит неподвижный диск с прямолинейными дорожками, имеющими полукруглое поперечное сечение и направляющие канавки, и связанный с валом через фиксатор подвижный диск. Подвижный диск имеет замкнутую криволинейную дорожку с полукруглым поперечным сечением и кромками, в которой установлены шарики с держателями, которые жестко соединены с шатунами, концы которых снабжены поршнями. Поршни имеют возможность возвратно-поступательного движения в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала. Держатели шариков имеют переднюю и заднюю части, соединенные друг с другом с возможностью взаимодействия с шариком, а каждый держатель снабжен одним выступом, имеющим возможность перемещения в направляющих канавках прямолинейных дорожек, глубина каждой из которых меньше диаметра шариков для исключения контакта кромок криволинейной и прямолинейных дорожек. Кромки прямолинейных дорожек на их протяжении изменяются по высоте от центра подвижного диска с краю. Технический результат - повышение коэффициента полезного действия за счет исключения угловых нагрузок, возникающих при перемещении шариков в дорожках. 2 з.п.ф-лы, 15 ил.
