Винахід може бути використано в двигунах внутрішнього згоряння. Механізм перетворення зворотно-поступального руху поршня в обертальний двома рухомими зубчастими рейками на шатуне в двигуні внутрішнього згоряння складається з блоку циліндрів, поршня, поршневого пальця і шатуна. На валу двигуна під кожним циліндром встановлені шестерні. Поршень з шатуном і двома рухомими зубчастими рейками, встановленими по різні боки щодо вала двигуна, здійснює зворотно-поступальний рух уздовж осі циліндра. У верхній і в нижній мертвих точках поршня, в поперечному напрямку до осі переміщення шатуна, одна зубчаста рейка виходить із зачеплення з шестернею, а друга зубчаста рейка входить в зачеплення з шестірнею на валу двигуна. Орієнтація зубчастих рейок щодо шестерні, з числом зубів кратне чотирьом, і їх супровід у фіксованому положенні щодо шестерні здійснюється копиром на валу двигуна, а хід поршня обмежується упором на шатуне. Технічний результат полягає в зниженні механічних втрат. 6 мул.
Винахід відноситься до двигунів внутрішнього згоряння, а більш конкретно служить для заміни кривошипно-шатунного механізму на механізм перетворення зворотно-поступального руху поршня в обертальний рух вихідного вала двигуна двома рухомими зубчастими рейками на шатуне.
Відомо, що на сучасних двигунах внутрішнього згоряння для перетворення зворотно-поступального руху поршня в обертальний рух вала застосовується кривошипно-шатунний механізм. Під час такту розширення зусилля від тиску газів передається через поршень і поршневий палець на шатун і одночасно бічним зусиллям притискає поршень до стінки циліндра. Зусилля, спрямоване по осі шатуна, через шатунную шийку діє на коліно валу, яке розкладається на радіальне зусилля, спрямоване по радіусу кривошипа і притискає корінні шийки колінчастого вала до підшипників, і тангенціальне дотичне зусилля, спрямоване перпендикулярно радіусу кривошипа, прикладена до шатунной шийці і вращающее колінчастий вал. У кривошипно-шатунного механізму одним з основних параметрів, що впливають на величину переданої потужності від тиску газів в циліндрі на поршень, є кут повороту колінчастого вала, переміщення поршня і кут відхилення шатуна від осі циліндра. За робочий хід поршня колінчастий вал повертається на кут від 0 до 180 °. Крутний момент на валу двигуна, який залежить від величини тангенціального дотичного зусилля, при повороті колінчастого вала від 0 до 90 ° зростає від 0 до максимуму, а при подальшому повороті від 90 ° до 180 ° зменшується до 0. Теплова енергія, що розвивається всередині циліндра від тиску газів на поршень, перетворюється в механічну роботу, частина цієї механічної енергії витрачається на подолання корисних опорів, тобто на обертання колінчастого вала і приведення в рух споживачів. Інша частина механічної енергії витрачається на подолання внутрішніх опорів в двигуні (тертя між поршнем і гільзою циліндра, тертя шийок колінчастого вала в підшипниках і т.д.). Частина механічної енергії витрачається на збільшення сили рухомих частин механізму, головним чином маховика. Маховик є акумулятором кінетичної енергії з метою її віддачі для виведення поршнів з мертвих точок, полегшує обертання колінчастого вала при пуску двигуна і рівномірного його обертання. Чим більше розміри маховика і частота циклів у двигуна, тим менше коливання кутової швидкості.
Конструкція кривошипно-шатунного механізму є складний пристрій, що вимагає високої точності при виготовленні і догляду під час експлуатації. Конструкція кривошипно-шатунного механізму докладно описана в літературі [Маргуліс Ю.Б. Двигун внутрішнього згорання. Теорія, конструкція і розрахунок. Вид. 2-е. - М. «Машинобудування» 1972, с.14, 256-296; Шестопалов К.С. Деміховський С.Ф. Легкові автомобілі. - М. ДОСААФ, 1989, с.12-24].
Метою даного винаходу є усунення зазначених недоліків та підвищення техніко-економічних показників двигуна за рахунок зниження механічних втрат, усунення коливання кутової швидкості (відповідно зниження числа обертів двигуна) і спрощення конструкції.
Зазначена мета досягається тим, що на відміну від відомого двигуна внутрішнього згоряння, що складається з блоку циліндрів, поршня, поршневого пальця, шатуна і колінчастого вала, в пропонованому двигуні відсутній колінчастий вал, а зусилля від тиску газів на поршень передається двома зубчастими рейками на шатуне, по черзі входять у зачеплення з шестернею на валу двигуна. Зубчасті рейки розташовані по різні боки щодо шестерні, з'єднані між собою шпильками, і коли одна з рейок знаходиться в зачепленні з шестірнею, то між вершинами зубів на другий рейці і на шестірні є допустимий зазор для вільного зустрічного переміщення. У верхній частині шатуна є отвір під поршневий палець і другий отвір під шпильку, що сполучає між собою дві зубчасті рейки. Нижня частина шатуна розгалужується на чотири направляючі планки, які попарно ковзають по напрямних втулок на валу двигуна, здійснюючи прямолінійний зворотно-поступальний рух шатуна. Хвостова частина напрямних скріплена торцевої планкою з отвором під другу шпильку. Зубчасті рейки вільно переміщаються в поперечному напрямку до валу двигуна в орієнтованому положенні щодо шестерні. Переміщення зубчастих рейок в поперечному напрямку можливо тільки у верхній і нижній мертвих точках поршня, по черзі міняючи зчеплення шестерні то з одного, то з іншого зубчастої рейкою. Зубчасті рейки переміщуються від зусилля пружини на важіль і упор на зубчастої рейки. Орієнтація зубчастих рейок щодо шестерні в момент переміщення зубчатих рейок і їх супровід у фіксованому положенні щодо шестерні, здійснюється копиром, встановленому на валу двигуна. При ході поршня вниз вал двигуна повернеться від однієї зубчастої рейки від 0 ° до 180 °, а при ході поршня вгору вал двигуна повернеться від іншої зубчастої рейки від 180 ° до 360 °, зробивши повний оборот. Хід поршня в нижній мертвій точці обмежується торцевою поверхнею на вилкоподібний пазі в бічній щічки шатуна і торцевою поверхнею на направляючої втулці. Хід поршня у верхній мертвій точці обмежується торцевої планкою на шатуне і другий гранню торцевої поверхні на направляючої втулці. Розмір паза в бічній щічки шатуна дорівнює сумарному обсягу довжини направляючої втулки і ходу поршня.
На фіг.1 зображений загальний вид механізму в поздовжньому розрізі блоку циліндрів двигуна і вирізом для кращої наочності конструкції, на фіг.2 - поперечний розріз механізму по осі вала двигуна, на Фіг.3 - переріз механізму по лінії взаємодії зубчастих рейок з шестернею на валу двигуна, на фіг.4 - перетин механізму в момент переміщення зубчастих рейок, на фіг.5 - перетин механізму в момент орієнтації зубчастих рейок щодо шестерні і супроводу по кулачку, на фіг.6 - поперечний розріз механізму для наочності в збільшеному масштабі.
Механізм перетворення зворотно-поступального руху в обертання валу двигуна розміщується в картері блоку циліндрів 1. У поперечних перегородках картера розташовані роз'ємні гнізда 2 під підшипники 3, насаджені на вал двигуна 4. На валу двигуна під кожним циліндром встановлені шестерні 5 з кількістю зубів, кратним чотирьом (наприклад, число зубів 24, модуль 2), копір 6, дві напрямні втулки 7 і 8 і дві розпірні втулки 9 і 10. Тиск газу на поршень 11 передається на поршневий палець 12, на верхню головку шатуна 13, шпильку 14, на одн у двох зубчастих рейок 15 або 16 і на обертання шестерні 5 на валу двигуна. Внутрішніми поверхнями напрямні планки 17 на шатуне 13 ковзають по напрямних втулок 7 і 8, а бічними поверхнями - по бортику на розпірних втулках 9 і 10. На направляючої втулці 7 з двох сторін є пази, в яких шарнірно встановлені важелі 18 і 19, підпружинені пружиною 20 на осі 21. у верхній і нижній мертвих точках поршня підпружинені важелі 18 або 19 по черзі притискаються упором 22, і від зусилля стиснутої пружини одна зубчаста рейка виходить із зачеплення з шестернею 5, а друга входить в зачеплення. На зубчастих рейках 15 і 16 є бортик 23, який служить напрямними переміщення зубчастих рейок за копиру 6. У верхній і нижній мертвих точках поршня торцевими поверхнями 24 на бортах 23 здійснюється орієнтація переміщення зубчатих рейок 15 і 16 щодо шестерні 5 по діаметрально проходить площині 25, розділяє копір 6 на два півкільця з різними радіусами на зовнішній поверхні. Чотири кінця на напрямних планках на шатуне з'єднані воєдино торцевої планкою 26.
Розглянемо послідовність роботи механізму з моменту опускання поршня з верхньої мертвої точки, положення якого показано на фіг.1, 3, 4, 5. Тиск газу на поршень 11 передається через поршневий палець 12 на верхню головку шатуна 13, шпильку 14, зубчасту рейку 15 і на обертання шестерні 5 з валом двигуна 4. Борт 23 на зубчастої рейки 15 починає переміщатися по поверхні з меншим радіусом на копірі 6, а делительная пряма на зубчастої рейки 15 переміщається по дотичній до ділильного кола на шестерні 5, зберігаючи зчеплення зубчастої рейк з шестернею. Бортик 23 на зубчастої рейки 16, переміщаючись в зустрічному напрямку, ковзає по поверхні з великим радіусом на копірі 6, при цьому вершина зубів на зубчастої рейки 16, з конструктивно допустимим мінімальним зазором, переміщається щодо вершин зубів на шестерні 5. При переміщенні шатуна вниз важіль 18 сходить з упору 22 на зубчастої рейки 16, звільняючи пружину 20 на осі 21. При подальшому переміщенні шатуна 13 на важіль 19 наїжджає упор 22 на зубчастої рейки 15, стискаючи пружину 20 на осі 21. Сила пружності пружини буде прагнути перевести зубчасті ре ки 15 і 16 на протилежну сторону до тих пір, поки торцева поверхня 24 на борту 23 зубчастої рейки 16 і діаметрально проходить площину 25 на копірі 6 Не сполучаться і зуб на шестірні 5 не сумісний з западиною на зубчастої рейки 16. Таке розташування деталей можливо тільки в нижній мертвій точці поршня, коли верхня головка шатуна 13 упреться в торець на напрямних втулках 7 і 8. Від сили пружності пружини зубчаста рейка 15 вийде із зачеплення з шестернею 5, а зубчаста рейка 16 увійде в зачеплення з шестірнею 5. При їх переміщенні бортики 23 т Орцев поверхнею 24 на зубчастих рейках 15 і 16 перекриваються площиною 25 на копірі 6, зберігаючи орієнтацію. Від робочого ходу в інших циліндрах обертання валу і шестерні 5 буде продовжено в тому ж напрямку, і зусиллям крутного моменту на шестірні 5 зубчасті рейки 15 і 16 з шатуном 13 і поршнем 11 починають переміщатися вгору і важіль 19 звільняється від зусилля пружини 20. Борт 23 на зубчастої рейки 16 починає перекочуватися по поверхні з меншим радіусом на копірі 6, зберігаючи зчеплення зубчастої рейки 16 з шестернею 5, а бортик 23 на зубчастої рейки 15 ковзає, переміщаючись в зустрічному напрямку по поверхні з великим радіусом на копірі 6. При дальнейше м переміщенні шатуна 13 вгору на важіль 18 наїжджає упор 22 на зубчастої рейки 16, стискаючи пружину 20 на осі 21. Сила пружності пружини буде прагнути перевести зубчасті рейки на протилежну сторону до тих пір, поки торцева поверхня 24 на борту 23 зубчастої рейки 15 і діаметрально що проходить площину 25 на копірі 6 Не сполучаться і зуб на шестірні 5 не сумісний з западиною на зубчастої рейки 15. Таке розташування деталей можливо тільки у верхній мертвій точці поршня, коли торцева планка 26 упреться в торець напрямних втулок 7 і 8. одновремен нно від сили пружності пружини 20 зубчасті рейки перемістяться на протилежну сторону, і зубчаста рейка 16 вийде із зачеплення, а зубчаста рейка 15 увійде в зачеплення з шестірнею 5 на валу двигуна. Вал зробить поворот на 360 °.
Із застосуванням механізму перетворення зворотно-поступального руху поршня в обертальний двома рухомими зубчастими рейками під час такту розширення зусилля тиску газів передається вздовж осі циліндра і направлено по дотичній до шестерні вала двигуна, надаючи йому обертальний рух, що призводить до мінімуму механічні втрати енергії за рахунок відсутності зусилля притиску поршня до стінок циліндра, відсутності радіального зусилля спрямованого по радіусу кривошипа і за рахунок усунення втрат потужності, що виникають від впли яния кута повороту колінчастого вала і від кута відхилення шатуна від осі циліндра. Відсутність в механізмі дорогого колінчастого вала і сполучених деталей спрощує конструкцію двигуна.
Механізм перетворення зворотно-поступального руху поршня в обертальний двома рухомими зубчастими рейками на шатуне в двигуні внутрішнього згоряння складається з блоку циліндрів, поршня, поршневого пальця і шатуна, що відрізняється тим, що на валу двигуна під кожним циліндром встановлені шестерні, а поршень з шатуном і двома рухливими зубчастими рейками, встановленими по різні боки щодо вала двигуна, здійснюють зворотно-поступальний рух уздовж осі циліндра і у верхній і нижній мертвій точці поршня, в попі річковому напрямку до осі переміщення шатуна, одна зубчаста рейка виходить із зачеплення з шестернею, а друга зубчаста рейка входить в зачеплення з шестірнею на валу двигуна, при цьому орієнтація зубчастих рейок щодо шестерні з числом зубів, кратним чотирьом, і їх супровід у фіксованому положенні щодо шестерні здійснюється копиром на валу двигуна, а хід поршня обмежується упором на шатуне.
Винахід відноситься до підшипника ковзання, зокрема до підшипника ковзання, застосовуваним в якості рухомої опори для вала рульової рейки в автомобілі з рульовим механізмом рейкового типу.
Винахід відноситься до зачеплення складових коліс і може знайти застосування в циліндричних і конічних редукторах зовнішнього і внутрішнього зачеплення, а також в рейкових передачах, що володіють високою здатністю навантаження.
Винахід відноситься до зубчастих рейковим передачам, що перетворює обертальний рух в поступальний і навпаки.
Винахід відноситься до рульовим механізмам колісних транспортних і тягових машин, а також може знайти застосування в автомобілебудуванні, тракторобудуванні, верстатобудуванні, приладобудуванні, виробництві вантажопідіймальних машин, де необхідні механізми з заданими закономірностями переміщення їх окремих виконавчих ланок.
Винахід відноситься до машинобудування і може бути використано в системах з поршневими, повзуни і т.п.
Винахід відноситься до галузі машинобудування, зокрема до конструкції багатоциліндрових безшатунного двигунів внутрішнього згоряння.
Винахід відноситься до моторобудівної промисловості, а саме до будівництва поршневих двигунів внутрішнього згоряння, і може бути використано моторобудівної промисловістю в будівництві довговічних, енергоємних, компактних двигунів всіх різновидів і типів, заснованих на застосуванні в двигунах механізму перетворення обертання нового варіанту.
Винахід відноситься до галузі машинобудування, а точніше може бути застосоване в усіх транспортних засобах, а також в енерговиробництві (теплових і атомних електростанцій).
Винахід відноситься до області енергомашинобудування.
Винахід відноситься до машинобудування, зокрема до двигунобудування.